智能航标控制终端设计

齐鲁理工学院 臧红岩 范卉青 白爱霞

1 引言

通航是否安全以及能否及时解决突发问题很大程度上取决于航标的准确度，其发展程度对水路交通和各方面发展来说都是很重要的。为了适应当前通航的高要求，解放人力并且达到有针对性有目的性的自动检修，使管理航标部门能够在第一时间得到关于航标的工作状态，进行智能化设计显得格外重要。

早在20世纪90年代，发达国家就利用各种现代电子科技，对航标进行智能化研究，并建成了体系，为航海事业提供了各种优势。在我国，也有不少高等学院和科学技术研究机构投入了大批人力物力对航标监控系统进行研发。船舶交通服务系统（VTS）、差分全球卫星定位系统（RBN/DGPS）、船舶自动识别系统（AIS）等导助航设备先后建成。

本系统通过传感器了解角度变化，从而自动调节航向。航标控制终端在传统航标的导引指示功能上通过无线通信技术将航标自身和传感器采集到的数据传送给远端控制中心，实现航标智能控制的功能，提高航道交通管理的数字化水平。

2 系统设计及主要功能分析

系统包括陀螺仪MPU6050、STM32系列单片机、ESP8266 WIFI无线传输模块、步进电机进行角度校准、手机端进行角度数据显示等。

（1）无线数据交换功能：手机端能够和航标通过WIFI无线网络进行信息交换。航标端每隔一段时间进行一次运行数据采集，采集航标指向数据和传感器数据，并接收控制中心发来的命令报文进行处理，并发回一个应答，同时向控制中心上报自己的运行数据。控制中心通过可视化监控软件监控现场数据和异常报警，上位机人为发出控制指令通过服务端传输到客户端，现场航标端接收到指令调整航标的指向。

（2）智能化遥控设置功能：航标控制控制终端的设置功能通过控制中心进行远程操作执行，只有授权的用户才有权力去进行指令执行。并且每条指令的执行都有严格的体制，按照规则进行应答，如果在设定时间内没有收发指令解析，操作就视为失败。所有设置的操作应记录在操作日志里，从而保证中心准确掌握最后设置的航标工作参数。

（3）实时信息采集功能：上电后，MPU6050开始工作，采集航标的各个工作状态，可以一定的时间间隔进行工作。

3 硬件电路设计

由于航标控制终端装置的工作环境及切恶劣，经常会受到天气因素以及不可抗力的冲击，所以硬件设计的选型是为重中之重，必须具有较高的抗干扰能力以及极强的稳定性。再者，为使设计更加简单可行，元器件应该具有较高的运算速度以及较低的功耗，选择通用且成熟的，以满足终端与服务器通信的要求（图1）。

图1 系统电路原理图

（1）陀螺仪：为了采集航标的指向角度等所需参数，本设计用陀螺仪作为信号传感器，以得到准确的位置角度等信号。陀螺仪采用MPU6050进行角度采集，将采集到的角度传送到最近的WIFI现场服务器，通过单片机进行数据解析，发送给终端。

（2）无线通信模块：无线通信模块采用ESP8266，ATKESP8266模块采用串口与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换。通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只需要简单的串口配置，即可通过WIFI传输自己的数据。ATKESP8266模块支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V单片机系统，模块支持串口转WIFI STA串口转AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，从而快速构建串口-WIFI数据传输方案，方便进行数据传输。

4 软件设计

手机端经过网络助手进行收发数据，自动校准航标角度。网络助手设有上位机软件进行智能判断，从而改变航标指向。串口无线接入点网络连接方式：模块通过WIFI连接智能手机，模块作为WIFI AP，智能手机做WIFI STA，手机网络调试助手TCP Client设置进行配置。在连接成功建立后，就可以互相发送数据了。通过陀螺仪采集到的航标指向角度数据，每隔2秒会得到角度数据，通过手机端显示出来。若偏移的话，发送警告信息并发送修正指令给航标，然后单片机产生脉冲数据给步进电机，使步进电机产生步距角，将脉冲信号转换为角位移，带动陀螺仪转动，从而改变航标角度。

5 结语

智能航标控制终端能够把本身的状态信息以及当前所在的位置传送到相应的控制中心，控制中心会在电子地图上显示出所辖区域的实时航标状态，可以对航标设备实行遥测、遥控等；对提高助航系统的管理能力、发现设备故障、保持航运通道通畅和安全都起着重要作用。有效减少相关工作人员的劳动强度，为船舶航运的安全性提供可靠的保障。为航标控制终端实现自动化、数字化和智能化给出了具有参考意义。

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