基于STM32I和IDP衛(wèi)星通信模塊的遠(yuǎn)洋船舶實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對遠(yuǎn)洋中無GPRS信號不能進(jìn)行無線通信的問題，設(shè)計(jì)了以STM32F103VCT6單片機(jī)與IDP衛(wèi)星通信模塊為平臺的遠(yuǎn)洋船舶實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有高精準(zhǔn)度、實(shí)時性強(qiáng)、全天候監(jiān)控等特點(diǎn)。給出了系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)分析了中央控制模塊、GPS定位信息采集模塊、無線通信模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用STM32F103VCT6單片機(jī)與IDP衛(wèi)星通信模塊設(shè)計(jì)遠(yuǎn)洋船舶監(jiān)控系統(tǒng)的可行性。通過該系統(tǒng)，可實(shí)時監(jiān)控遠(yuǎn)洋船舶的地理位置信息以及其他信息，最大限度地確保遠(yuǎn)洋船舶航運(yùn)中的安全。

引言

本文采用ARM芯片作為控制核心，設(shè)計(jì)了一款以GPS定位模塊與衛(wèi)星通信模塊為依托的遠(yuǎn)洋船舶實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照用戶要求定時上傳遠(yuǎn)洋船舶的位置信息以及航向信息，解決了傳統(tǒng)船舶定位和救援中出現(xiàn)的問題，保證了船舶動態(tài)監(jiān)測及時、準(zhǔn)確、可靠。同時該系統(tǒng)方便擴(kuò)展其他功能，以便獲得更廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

搭載在船舶上的專用電路板實(shí)時采集船舶的位置、速度、航向、SOS報(bào)警等信息。專用電路板將采集到的數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)衛(wèi)星通信模塊發(fā)送至海事通信衛(wèi)星，通過海事衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼邮照竟┙o用戶使用。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)，主要分為中央處理模塊、GPS定位模塊以及衛(wèi)星通信模塊等，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)的加工處理及輸入/輸出控制由ST公司的STM32F103VCT6處理器完成。處理器接收到GPS數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)處理并定時上傳加工后的定位數(shù)據(jù)至地面接收站。GPS定位模塊采用Globalsat公司的ET-314，通過該模塊實(shí)時更新GPS定位數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信模塊采用加拿大Skywave公司的IDP衛(wèi)星通信模塊，該模塊通過國際海事衛(wèi)星(Inmarsat)來實(shí)現(xiàn)與地面接收站之間的全天候、廣區(qū)域、高可靠性的雙向通信。為了備份長時間的定位數(shù)據(jù)，采用了SST公司的SST25VF016B芯片作為外部Flash來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能。

2.2 中央控制模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103VCT6處理器作為主控制芯片。STM32F103VCT6是32位的具備Cortex-M3內(nèi)核的處理器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz。

中央控制模塊STM32F103VCT6作為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)地采集、分析、加工以及安排數(shù)據(jù)上傳工作。GPS原始數(shù)據(jù)會實(shí)時傳遞至MCU的串口緩沖區(qū)。MCU驗(yàn)證處理后，通過串口發(fā)送至衛(wèi)星通信模塊。SOS報(bào)警信息通過設(shè)定的GPIO口發(fā)送至MCU，通過衛(wèi)星通信模塊上傳至地面接收站。本模塊硬件原理圖略——編者注。

2.3 GPS定位模塊

定位模塊采用Globalsat公司的Globalsat ET-314芯片，來實(shí)現(xiàn)船舶的位置定位與速度采集。Globalsat ET-314模塊使用了SIRF III芯片，具備快速定位、定位精度高、啟動時間短以及探測范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。使用Globalsat ET-314模塊實(shí)現(xiàn)功能如下：

①精確地采集到地理位置信息。Globalsat ET-314模塊定位的精確度為10 m。

②精確地采集時間信息。Globalsat ET-314模塊采集到的時間與GPS時間保持1μs的同步關(guān)系。

GPS定位的基本方法為空間距離后方交會，此方法需要知道衛(wèi)星瞬間位置。如圖3所示，假設(shè)t時刻在地面上的待測地點(diǎn)放置GPS信號接收機(jī)，測定出GPS信號到達(dá)此處接收機(jī)的時間為△t，根據(jù)其他已知條件確定以下4個方程式。其中已知衛(wèi)星1，衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4以及地面接收站的地理坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)、(x4，y4，z4)、(x，y，z);d1，d2，d3，d4為測量偽距;c為光速;

dt為衛(wèi)星時鐘偏差;dT1，dT2，dT3，dT4為GPS的接收時鐘偏差項(xiàng)。

通過聯(lián)立這4個方程式，可以得到接收機(jī)的地理坐標(biāo)。GPS定位模塊的原理圖如圖4所示，GPS通過串口與MCU獲得通信。

2.4 衛(wèi)星通信模塊

衛(wèi)星通信模塊選用的是加拿大Skywave公司的衛(wèi)星通信模塊IDP。IDP的通信基于國際海事衛(wèi)星，通信全球覆蓋不受外界因素限制。IDP還具備傳輸數(shù)據(jù)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其單次發(fā)送數(shù)據(jù)可達(dá)6 400字節(jié)，單次接收的數(shù)據(jù)量可達(dá)10 000字節(jié)。IDP支持二次開發(fā)，方便用戶將IDP接入其他產(chǎn)品中使用。

國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是世界上第一個全球性的移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。Inmarsat通信系統(tǒng)基本是由四部分組成，即空間段、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站(Network Coordination Station)、衛(wèi)星地面站(Land Earth Station)和衛(wèi)星船站(Mobile Earth Station)。IDP680即為衛(wèi)星船站。發(fā)送信息經(jīng)衛(wèi)星地面站處理后經(jīng)專用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至用戶服務(wù)器供用戶分析使用。終端發(fā)起通信流程如圖5所示。

IDP680為用戶提供了4個可配置I/O口以及1路RS232、1路RS458串口方便用戶集成使用。其接口定義圖略——編者注。

配置衛(wèi)星通信模塊使用中斷方式接收MCU通過串口傳輸過來的數(shù)據(jù)。校驗(yàn)正確后，衛(wèi)星通信模塊執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)功能。用戶發(fā)送的遠(yuǎn)程指令，衛(wèi)星通信模塊接收后通過串口傳輸至MCU，MCU使用中斷方式處理串口傳輸過來的數(shù)據(jù)。校驗(yàn)正確后，執(zhí)行相應(yīng)的命令動作。