基于多网络融合的船舶寻迹和导航终端开发

沈　光,冯辉强,田增山,杨进超

(1.宁波市海洋与渔业信息监测中心,浙江 宁波 315000；

2.重庆邮电大学重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室,重庆 400065)

基于多网络融合的船舶寻迹和导航终端开发

沈光1,冯辉强1,田增山2,杨进超2

(1.宁波市海洋与渔业信息监测中心,浙江 宁波 315000；

2.重庆邮电大学重庆邮电大学移动通信技术重庆市重点实验室,重庆 400065)

摘要：随着船舶营运和作业范围的越来越大,自然环境和国际环境的变化,船舶面临的风险逐年升高,对船舶寻迹和导航系统越来越迫切。针对船舶营运的特性及无线网络特性,设计了北斗短信/移动蜂窝网/Zigbee多网融合的船舶寻迹和导航终端,对终端进行设计和开发,测试验证该终端可以有效保证对船舶的定位和导航。

关键词：多网络融合;船舶寻迹;北斗定位;北斗短信

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.017

中图分类号：TN929.5

文献标志码：： A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0076-05

收稿日期：2015-02-10

作者简介

Abstract:With the development of ships operation and its growing working range, variation of natural and international environment, ships are faced with increasing risks year by year and the demands for ships trailing and navigation are becoming urgent. Aiming at the characteristics of ships operation and its wireless network property, this paper designed a terminal of ships trailing and navigation based on multi network fusion including Beidou messages/mobile cellular/Zigbee, designed and developed the terminal and ensured the localization and navigation of ships after test.

0引言

随着船舶营运和作业范围的越来越大,自然环境和国际环境的变化,船舶面临的风险逐年升高,国际海事组织和国内船舶监管部门对船舶航行安全性的日益重视,船舶驾驶者对船舶电子产品高性价比、高可靠性的要求逐步提高,监管部门对船舶的运动姿态、货物情况、安全形势的监控需求越来越迫切,船舶电子产品技术正朝着数字化、自动化、集成化、智能化和综合化的方向发展。

20世纪70年代,国外海上自动航行系统,即初期的综合船桥系统(IBS)因适应这种用户要求而问世。目前,世界上先进国家已研制推出第3代、第4代不同类型的综合船桥系统(IBS)[1],应用计算机、现代控制、信息处理等现代技术,将船上的各种导航、操作控制和雷达避碰等设备有机地组合起来,对导航、驾驶、机动航行、航行管理、航线计划、避让、轮机监控、自动监测、自动报警等功能实施控制,以最少的人力、最低的燃料消耗,实现船舶自动化航行;而随着3G技术的发展,基于CDMA/GPS/GIS的船舶航行监控系统已经逐步成为船舶寻迹和导航终端发展的潮流[2]。

最原始的船舶定位手段是天文定位[3],但定位精度非常低而且受气候与天气影响大。无线电导航[4]的出现给船员提供了新的导航工具,但是无线电导航依赖陆基导航台提供导航服务,所以覆盖区域受限并且容易受各种电磁干扰。北斗定位系统作为我国自主研发的全球定位系统,能够在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。ZigBee技术[5]是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术,主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

GPRS网络作为数据交换的承载网络,广泛应用于日常生活中,而在诸如大海的特殊环境,GPRS网络难以维持与基站的连接,需要应用北斗短信模块[6]进行信息交换。针对船舶营运的特性及无线网络特性,充分结合了北斗模块和Zigbee网络的特点,采用灵活的模式切换策略和自动频率发送策略,设计北斗短信/移动蜂窝网/Zigbee多网融合的船舶寻迹和导航终端,本系统分为三个部分:传感器、智能终端、控制中心,其中智能终端是该系统的核心部分,终端实时监测传感器的状态,并把结果通过GPRS网络、北斗短信远程无线传送给控制中心,一旦有险情发生,控制中心能快速启动应急救援方案,最大程度减少灾害带来的损失。

资助项目： 国家自然科学基金(批准号:61301126); 重庆市基础与前沿研究计划项目(编号：cstc2013j；cyjA40041); 重庆邮电大学博士启动基金(编号：A2012-33)

联系人： 杨进超 E-mail: yangjinchao111@yeah.net

1系统架构设计

该终端主要由以下六大模块构成:Zigbee模块、北斗二代模块、北斗一代模块、GPRS通信模块、主控制器模块和电源模块,系统的整体架构如图1所示。

图1　船舶寻迹和导航终端的整体架构

1.1　ZigBee模块

Zigbee模块主要用于短距离无线通信,且传输速率高,易于组网,该终端中使用的ZigBee模块主要是获取临近船只的定位信息,把附近船只的位置信息打包集中发送到控制中心,节省费用。

1.2　北斗二代模块

该模块主要用于船舶的定位及导航,北斗二代定位系统是我国独立研发的全球卫星定位导航系统,且该系统使用无源定位,输出NMEA0183格式数据,模块硬件体积小,可以有效的节省电路板的空间。

1.3　北斗一代模块

北斗一代的主要优势是能够实现短报文通信功能,由于船只在海上航行,无法使用移动蜂窝网系统,这时北斗一代可以有效的实现海洋和陆地之间的通信,对构建船舶导航系统架起了一座桥梁。

1.4　GPRS模块

该终端的GPRS模块主要是实现陆上基站与控制中心之间的通信功能,陆地蜂窝网移动通信系统覆盖面广,通信可靠性高,传输速率高,且不受位置因素的影响,通过GPRS模块,控制中心可以有效的实现对船舶定位信息的获取。

1.5　主控制器模块

主控制器模块是该系统的“大脑”,负责系统的整体运行。主控制器的主要作用有:

1) 监测数据接收,主控制器接收ZigBee、北斗二代发来的位置信息,经数据处理后发送至北斗一代模块;

2) 对接收信息的处理,包括数据的存储、判决、打包等;

3) 监测整个系统的运行。

2无线切换和控制策略

2.1　无线网络切换策略

本文设计的船舶寻迹和导航终端具有无线网络自动切换的功能,可同时在陆地和海洋使用,在陆地时,GPRS模块能正常和基站进行连接,这时系统会通过GPRS网络和控制中心进行通信;在海洋时,由于基站覆盖区域有限,GPRS无法和基站进行通信,此时SIM900A模块会返回一个错误值,系统根据这个错误值会自动切换到北斗一代通信网络上。图2是该无线网络的切换原理图。

图2　船舶寻迹和导航终端无线网络切换原理图

2.2　定位信息发送频率的切换策略

当船舶在海上航行时,一般对控制中心发送位置信息的频率是固定的,可是当船舶速度很高时,控制中心需要实时知道船舶所在的位置,以便进行跟踪。本文设计的终端能够自适应地对北斗定位的位置信息的发送频率进行调节,这时,该终端可自动调节发送频率。图3是发送频率自动切换策略图。

图3　发送频率自动切换策略图

3终端设计与开发

根据该终端系统整体设计,终端以主控制器STM32为核心,外接UM220模块,QM2610模块,SIM900A模块,整体硬件框图如图4所示。

图4　硬件框图

3.1　硬件选型

3.1.1北斗导航模块

本系统选用的是北京和芯星通公司生产的UM220芯片,UM220是和芯星通公司针对车辆监控、气象探测和电信电力授时等应用推出北斗/GPS双系统模块。UM220是市场上尺寸最小的北斗/GPS模块,集成度高,功耗低,非常适合北斗系统大规模应用的需求。选用该型号的原因是: 尺寸小(仅40×30×3.4 mm)、重量轻; 超低功耗(仅350 mW); 单芯片支持BD2/GPS功能,无需外接CPU即可直接输出NMEA数据; 先进的多路径抑制技术; 支持单系统独立定位和多系统联合定位; 支持UART、SPI、1PPS、I2C等多种接口。

3.1.2GPRS模块

本模块选用的是SIMCom公司生产的SIM900

A芯片,SIMCom推出新款紧凑型产品SIM900A.它属于双频GSM/GPRS模块,完全采用SMT封装形式,SIM900A仅适用于中国市场,其性能稳定,外观精巧,性价比高。SIM900A采用工业标准接口,工作频率为GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz,可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。另外,SIM900A的尺寸大小为24×24×3 mm,能适用于M2M应用中的各类设计需求,尤其适用于紧凑型产品设计。主要特性为 双频900/1 800 MHz; GPRS multi-slot class 10/8; GPRS mobile station class B;满足GSM 2/2+标准Class 4 (2 W @900 MHz)Class 1 (1 W @ 1800MHz) 重量 3.4g; 通过AT命令控制; SIM应用工具包; 供应电压范围 3.1 ～7.8V; 低功耗1.5 mA(睡眠模式); 操作温度范围-40 ～85 ℃.

3.1.3主控芯片

本系统采用的主控芯片是STM32单片机,STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。按性能分成两个不同的系列:STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。增强型系列时钟频率达到72 MHz,是同类产品中性能最高的产品;基本型时钟频率为36 MHz,以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能,是16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32 K到128 K的闪存,不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72 MHz时,从闪存执行代码,STM32功耗36 mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5 mA/MHz.本系统选用的是103增强型,其主要特点为易于操作,价格低廉;内核运算速度高,存储空间大;低功耗;最多高达112个的快速I/O端口;最多多达13个通信接口。

3.1.4电源模块

该系统采用的是交流220 V供电,并具有直流备用电源,以防电源断电时,该系统还能正常工作。该系统采用两种电源转换芯片,AMS1117-3.3和MP2303以确保该系统的正常工作。

3.2　控制编程

该定位与导航终端主要是获取船舶的位置与速度信息,并发往控制中心,以便实施跟踪与监控,同时,该终端能进行不同网络之间的切换,并能设置发射频率,程序流程图如图5所示。

图5　程序流程图

4系统测试

经过测试,该终端可有效的对船舶进行定位和导航并把结果发送到控制中心,以下是该终端主要功能模块的测试结果。

4.1　北斗通信测试

北斗通信的测试结果如图6所示,从图中可以看出,发信方可以正常的和收信方进行通信,各项功能指标均正常。

图6　北斗短信通信测试结果

4.2　GPRS通信测试

GPRS通信测试结果如图7所示,从图中可以看出该终端可以正常的和陆地基站进行连接,且通信成功。

图7　GPRS通信测试结果

4.3　定位功能测试

该终端的定位测试结果如图8所示,从图中可以看出控制中心能正常的接收该终端发来的位置信息,并能正确定位。

图8　定位功能测试结果

5结束语

本文通过对船舶多网络定位算法的研究,针对船舶营运的特性及无线网络特性,充分结合了北斗模块和Zigbee网络的特点,采用灵活的模式切换策略和自动频率发送策略,设计了北斗短信/移动蜂窝网/Zigbee多网融合的船舶寻迹和导航终端,测试结果表明：该终端可以有效地对船舶进行定位和导航,且能够实时通过监控中心进行监控。该终端具有较强的工程应用价值和较低的成本,具有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献

[1]黄晶. 基于GPS/GIS/GSM船载导航系统的研究[D]. 成都:电子科技大学, 2009.

[2]王凯. 基于CDMA/GPS/GIS的船舶航行监控系统[D]. 重庆:重庆大学, 2005.

[3]贺国峰. 浅谈天文定位[J]. 航海, 2011(5)：52-53.

[4]田建学, 张然, 张鹏明. 无线电导航系统的发展前景与军事应用[J]. 技术与市场, 2007(12):60-61.

[5]MENDALKA M, BIZEWSKI K, KULAS L,etal. Pattern matching localization in ZigBee wireless sensor networks[C]//Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), 2010 18th International Conference on. IEEE, 2010:1-4.

[6]王磊, 宋蕾. 利用北斗短信功能实现海上测量信息的回传[J]. 海洋测绘, 2011,31(3):25-28.

田增山(1968-),男,河南信阳人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为个人通信、卫星导航、无线定位、信号检测与处理等。

沈光(1971-),男,浙江宁波人,副主任，主要研究方向为海洋环境监测与预报、信息化集成与应用等。

冯辉强(1973-),男,广西北海人,主要研究方向为海洋管理、信息化集成与应用等。

杨进超(1989-),男,河南驻马店人,硕士生,研究方向为船舶导航电子,软件无线电、无线定位与测量等。

The Terminal Development of Ships Trailing And

Navigation Based on Multi Network Fusion

SHEN Guang1,FENG Huiqiang1,TIAN Zengshan2,YANG Jinchao2

(1.NingboOceanandFisheryInformationMonitoringCenter，Ningbo315000，China;

2.ChongqingKeyLabofMobileCommunicationsTechnology,ChongqingUniversity

ofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Key words: Multi network fusion; ships trailing; Beidou Localization; Beidou Messages