远程水面信息终端系统的研制与测试

刘传林,龙银香,晏成明,包尔恒,梁文祯,匡畅

(广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635)

1 远程终端开发研制的重要意义

我国南方有着丰富的水系与水运资源优势，促进水运行业向着高效能与高效益的方向发展，并在国民经济中发挥重要作用。但随着水运行业的发展，运输部门对航道维护的要求越来越高，以及水流冲击、船舶撞挂和航标灯自身的故障导致航标位移、航标灯熄灭或照度不足等故障时有发生。如果不能及时掌握故障情况，不仅不能采取措施及时恢复正常工作，还将严重威胁河流船舶的航行安全，甚至造成损失或严重事故。

旧的航标管理科技含量低，不能自动报警，完全依靠人工出航巡视检测，航道部门不能随时掌握航标状况，出航成本高、费时费力，不能满足运输生产对航道维护的需求。因此，研究水面信息终端技术、研制航道航标智能报警技术成为解决和保障航运安全的重要课题。该课题在综合运用现代通讯、信息、卫星定位和地理信息技术的基础上，研究满足航道维护需要、成本较低的航标遥测系统，实现航标灯智能化，解决航标故障不能被及时发现的问题。该终端设备的研制对提高航道维护水平、降低航标维护成本、保障航行安全、促进航运事业和经济发展都具有重要意义。

2 远程终端系统研制的技术考量

根据实际需求情况，远程水面信息终端的研制在技术层面主要考虑以下三点：

首先，必须解决远程信息终端的电源问题，应用电力电子技术确保电源性能。远程终端应用改变过去的工作模式，水道作业部门不需要出航巡视就能掌握所有远程终端状况，有的放矢地出航维护，大大减少因出航巡视产生的成本，减少水道工人的劳动强度和人力资源，检测维护能力可大大提高。应用新的远程终端改变过去几天才能巡视一遍的状态，可每天随时掌握航标状况，管理部门也可在千里之外通过网络掌握航标情况，利用客观准确的信息、动态图表和统计资料检查督导，做出管理决策。

为尔生来体态柔，因情感物寓风流。汝无血气何知觉，自是诗人想象来(“来”，此据南京图书馆藏八千卷楼抄本、台北故宫博物院藏碧琳琅馆抄本，《全宋诗》作“求”，是,未知所据，当依韵改)。(后集卷一七杨柳门)

水文地质条件，垃圾场的基础应建设在地下水主要补给区范围之外，地下水富水性以贫乏～极贫乏为宜，场址不应直接选择在渗透性强的地层之上，应位于含水层的地下水水力坡度平缓地段，渗透性系数最好能达到10-7 m/s以下，含水层以上最好有5 m以上隔水层，地下水化学类型以重碳酸钙型水为宜，不宜选择强酸性（PH＜4）、Cl-、SO4 2-含量大于200 mg/L，避免地下水对场地基础产生腐蚀。此外，场地内地下水的主流向应背向地表水域，地下水径流途径应比较短，最好具有较好的天然屏障，避免或减少地下水对周围水域的污染。

整体系统包括管理系统与终端系统。

（1）GPS 接收模块的选型。根据初步调研，目前市场上的有上百个品牌和型号的 GPS 模块，大体可分为二代和三代。在接收能力上，有的可接收L1，L2 和L5 载波频率，C/A 码和L2C 民用码以及L1 和L2 频率的P ；有的只能接收L1/1575-42MHz 和C/A 码，通道数差别也较大；一些高级的 GPS 模块内置逻辑芯片来稳定GPS 信号，较好解决了令人头痛的漂移问题。GPS 选型应考虑以下四方面：①鉴于航标灯的供电条件，GPS 模块必须满足输入电压小于3.5V、功耗小于100mW 的要求；②价格因素；③体积不能太大，由于要与航标灯集成一个整体，体积太大可能无法装入航标灯；④定位精度取决于GPS 模块的精度、稳定性、可靠性和接收/处理信号的能力，这是航标遥测的关健所在，在这方面既要考虑尽可能提高精度，又要兼顾前述三个因素。

3 远程终端研制的技术方案

3.1 技术方案主要内容

第三，远程终端是一项新智能技术，有极少数的局部实践，所以还存在许多问题，如耗电量过大、定位不准、功能不够强大、造价高等。在现有基础上进一步完善技术、攻克难题，使之更加成熟、完善，可推动这项技术在全国内河航道大范围推广，进而形成一个生产、销售、服务、航标维护的系统产业，并使科研成果尽快转化为生产力，产生社会和经济效益。同时，远程终端的开发需要河流水道、电力电子电源技术、电子信息通信技术方面的专家共同协作攻关。

其次，为保证安全可靠性能，远程终端应用研究采用比较成熟的移动通信、嵌入式计算机、全球卫星定位（GPS）和地理信息技术（GIS），可解决航标基础信息管理、航标故障（漂移、低压、灭灯等）自动报警、航标维护中故障信息获得等问题，大大提升航道维护的科技含量。

终端部分由数据采集部分、中央处理器、GPS定位部分、GPRS 通信部分、电源部分、LED 光源部分及外壳组成。数据采集部分将蓄电池电压、太阳能电池电压、充电电流、LED 电流、水深传感器、光电传感器等模拟量转换成数字量，送入中央处理器进行计算处理；GPS 定位部分，采用GPS 模块通过串行口与中央处理器进行数据通信。由此模块采集提供纬度、经度、高度、日期时间等参数，提高定位经度达到要求；GPRS 通信部分，采用GPRS 通信模块通过串行口与中央处理器进行数据通信，由中央处理器通过GPRS 通信网络与机房管理系统通信，由机房管理控制，根据用户信息作出相应的处理（用户对终端的设置命令，则对自身的参数修改；查询，将信息编码后通过GPRS 网络发给终端，终端收到指令由CPU 做出相应处理，中央处理器根据内建的实时时钟完成信息的自动上传，时刻检测航标灯状态，发现故障自动报警；电源部分，太阳能板加免维护蓄电池提供充分可靠的电能供应，采用低功耗器件、休眠方式降低整机功耗。和控制航标状态、电源状态、卫星定位模块和通讯模块协调工作，实现定时遥控、周期遥控、故障遥控、查询遥控的功能，终端中可能会有2 个以上串行接口，10 个模拟量接口和开关量接口，在嵌入式计算机中编写处理GPS 定位信息的算法，这些算法包括预估、统计等功能，最大限度减小各类随机因素的干扰，实现初步定位，后台遥测遥控中心的算法根据终端数据最后作出精确定位或位移精确检测。

（2）航标精确定位方法研究和认证。传统的单点定位方式无法达到定位误差小于5 米的要求，采用差分定位法虽然可满足要求但需建立大量的差分台且数据交换量很大。本项目针对航标移动速度慢、定位时间要求低的特点，拟采用相对差分新技术，以较小的投入实现GPS 定位误差小于5 米的目标。需要解决的问题是：验证这一技术与拟选GPS 模块的匹配关系；验证这一算法的有效性和可靠性；根据河流航道的地理位置和实测结果修正算法的转换因子和参数，提高算法精度。

终端系统基本架构包括电源系统和控制、检测、图像、定位、通信单元以及天线（见图1）。主要技术指标和功能如下： （1）电源技术解决方案是终端硬件最重要的部分。主要技术指标和功能有：电池电压检测误差小于0.3V ；航标灯异常熄灭报警；平均无故障时间5000 小时；工作温度在摄氏-20℃—70℃；环境湿度小于95%，无疑结；电源适应范围在DC3.7-5.2V ；硬件终端功耗满足在太阳能板充电条件下长期免维护的要求；电池电压过低报警；航标电流过低报警；周期性和定时性报告航标状态（闪光周期、电流、电源电压、工作时间、漂移状态）；航标漂移报警，采用高端GPS 芯片后期可支持差分技术，定位误差精度小于5 米，准确率大于90% ；故障自动检测、自动复位，在供电正常情况下，CPU 不死机；运行参数远程设置；通信时滞小于30 分钟。（2）通信模块实现遥测中心和航标灯之间的无线通讯功能，配合控制单元可调整LED 闪烁模式、光电管阀值、航标灯密码和GPS 同步闪烁。（3）航标遥测采用专用 GPS 定位单元，实现遥测基准点的精确定位和GPS 误差修正信息的采集功能。检测单元运用加速传感器算法，解析前端加速传感器传回的数据，判断智能航标灯是否遭受撞击、是否翻沉等。（4）图像单元包含摄像头控制拍照电路及其软件部分，完善图像通信传输质量。

图1 远程水面信息终端系统的基本架构

3.2 关键信息与定位技术问题

当前人们对房屋建筑的采光要求变得越来越高，门窗的面积越来越大，施工难度有所增加。为了达到预期的节能效果，施工人员应充分考了门窗抗风压性、空气渗透性以及雨水渗透性等指标的影响。为了避免渗水，还应利用水泥砂浆有效封堵门窗四周与墙柱、窗台与梁之间的缝隙，并安装相应的密封条。在密封前，施工人员应做好密封处的清理工作，且使用塑料单框双玻门窗，提高建筑的性价比。

肛裂在肛肠科属于一种较为常见的肛管疾病，也是患者肛管产生剧痛的主要原因，发病部位在患者的肛门前后正中，多数患者都是年轻女性。肛裂的临床表现症状有剧痛、大便出血以及便秘，随着肛裂患者的病情进展，疼痛的程度会逐渐加重，便秘不仅是肛裂的临床表现症状还是肛裂发生的原因[10]，也是肛裂患者术后常见的并发症，粪便会刺激患者肛裂处组织表面，让肛裂处出现烧灼样疼痛感，肛裂患者在时候术后因为切口有明显疼痛感、饮食不合理、内心恐惧以及活动量较少都会引起便秘。便秘会给肛裂患者带来心理和身体的痛苦，还会延长患者的住院时长，需要及时对肛裂手术患者采取有效的护理措施预防便秘出现。

（3）在航标遥测终端基础上增加航标遥测功能。解决定位算法占用 CPU 资源过多、增加GPS模块导致功耗增加、GPS 信号与GSM 手机信号之间可能存在高频干扰的问题。遥测中心专用 GPS定位模块研发，为获取优质信号，收到尽可能多的卫星信号，必须将GPS 模块置于室外开阔地，相应的需要延长电源、信号线。另外，为精确定位，需要增加相应的预估算法等。

4 远程终端硬件与管理系统衔接

4.1 远程终端硬件

管理系统即智能航标灯远程管理系统，该软件包括以下模块：通信处理、航标状态管理、数据库管理、航标定位、航标管理中心基准点信息采集和定位、电子航道图管理、航标报警信息处理模块及操作权限管理等。主要具有以下功能：航标灯基础信息管理、航标定位、航标报警处理、电子航道图管理，报表自动生成。

4.2 管理系统衔接

软件分机房数据管理和用户浏览系统。机房数据管理系统通过GPRS 网络负责采集所有航道终端数据。存贮分组管理，并下发终端所需控制命令。用户浏览系统，通过Internet 网络将数据进行动态展示。如：实时河流航道、GPS 定位地图、数据例表、曲线图形等显示；动态报警可通过短信发送到管理员手机，使其及时得到报警信息。

5 硬件参数与测试

远程终端重要的一个环节就是工程测试，旨在总结测试结论并分析测试结果，以验证该系统是否符合需求说明书的要求。

5.1 硬件参数

表1 远程水面信息终端系统硬件参数

序号 单元 参数2 通信模块额定电压：4.2 V、待机额定电流：30mA发射功率：4W工作温度：-35℃～ +80℃额定电压：3.3 V 、额定电流：67mA额定功率：0.22W工作温度：-10℃～ +75℃4 航灯3 定位模块额定电压：12 V、额定电流：350mA额定功率：4.2W工作温度：-10℃ ～ +80℃5 设备整体参数电压范围：8.5 V ～13 V、工作温度：-10℃～ +70℃

5.2 实验测试

实验室测试项目执行结果见表2。

表2 远程水面信息终端系统实验测试结果

5.3 工程测试

工程测试主要侧重于严酷环境性能试验，执行结果见表3。

为了给游客带来更好的旅游体验，同时在主营农业的基础上拓展副业，在政府的支持下，村民们利用闲置田地，在景区附近建立农家乐、休闲农庄等场所，给游客提供住宿、餐饮等服务。此外，还包括手工特色农产品零售，如淌(米)面、糍粑等。这些基于乡村旅游的业务提升了村民们的收入，有利于农村的经济增长。

6 结语

本文阐述了远程水面信息终端系统的研制与测试。远程终端设备经实验室以及严酷环境工程测试后，满足了工作的必要条件，但仍需进一步投入河流航道进行试运行。针对远程终端的电源、通信、定位等性能收集数据，主要数据包括电源电压误差与适应范围、电源电池异常报警、平均无故障时间、工作温度与湿度适应程度、功耗与免维护的平均周期、终端定位误差精度与准确率、嵌入式硬件故障自检与复位、通信时滞、图像传输通信质量等。通过积累实际运行数据和检验设备效果，可总结经验，不断提高终端设备的运行性能。

表3 远程水面信息终端系统工程测试结果