LED航标灯无线数据采集与传输系统
1.设计目标
（1）实现遥测遥控（RTU）功能
（2）实现自采集
2.性能与技术指标
l 监控范围：厦门、福建沿海海域，以及移动网络覆盖区域内。
l 定位方式：GPS自主定位方式。
l 通信方式：GPRS为主、短信方式为辅。
l 定位精度：为5~15米。
l 监控间隔：1分钟~24小时可设置。
l 系统容量：2000个监控终端入网（处级服务器）。
l 报警响应：小于20秒。
l 历史数据：历史数据存放时间大于1个月。
（1）电气性能指标：
l 电源电压：8~30VDC
l 静态工作电流：小于85MA（12V）
l 按国际通用的标准通信接口类型进行设计。
l 传输速率为：600bps～9600 bps．
（3）MTBF：≥10000 h
3.系统方案
系统的功能图如图1所示。图中：ARM 微处理器是整个系统的核心、心脏，负责整个系统的控制、管理、协调工作，功能实现。LED航标灯是航标灯器，有自带接口的可以通过RS485接口采集数据，同时系统还增设：灯质测量、电流测量、电压测量、日光测量、温度湿度测量等电路实现自采集，通过对两种采集的结果进行处理、分析和比较，获取最可靠的数据作为上传数据保证数据采集的精度和可靠性。GPS位置测量用于测量航标位置、速度，撞击测量模块主要由加速度测量电路组成，通过对两者的测量数据进行处理，实现准确的定位和航标撞击判断。系统还支持对有标准协议的雷达应答器的数据采集。GPRS/SMS模块用于实现数据传输功能。性能测试模块用于实时监测系统的工作状态，包括灯器工作状态，通信模块工作状态，系统功能实现等。电源模块为系统提供稳定的电源。
图1：系统功能模块图
4.总体设计要求
考虑到海上温、湿度情况，海况，供电状况以及浮标有被船打翻的现象，故RTU的设计要求如下：
（1）自动切换通信网络
由于海区的移动网络稳定性差、通信质量不理想，GPRS不能很好覆盖等问题，因此在考虑通信传输方案时应该是结合当前实际兼顾未来技术发展，灵活适应GSM（CSD、SMS）、GPRS等通信方式。如主要采用GPRS联网，SMS短消息辅助，同时监控终端能自动适应GPRS/GSM网络信号和进行自动切换。
（2）低功耗设计
采用低功耗元件和设计，在保持实时监测和报警的前提下，通过多种休眠方式节省电能。，监控终端利用原有航标配备的电源，在不降低航标灯阴雨天正常工作天数，不需要另外增加电源。以达到“降低航标维护费用，减少巡标次数”的目的
（3）稳定性、可靠性
在产品设计、电路板的PCB设计、元件选型、模块选型、工艺结构设计上采用工业控制级设计。以提供高可靠性的RTU产品，满足海上、野外维护不方便和恶劣环境下的遥测遥控需要，
（4）智能化信号处理、容错性
终端软件实现数据采集与处理提高数据精度。通过数据存储补偿、通信处理、实时报警处理以及控制转换等功能，以及数据备份、容错功能设计，如复位重启、初始化、看门狗、撞击报警等级可调、报警灵敏度可调，各模块电路工作独立等机制，提高系统的容错性。
（5）防水、防震
监控终端防水防尘至少要达到IP56的等级，此外还要考虑防盗、安全等。
5.功能特性
5.1采集数据
监控终端采集航标灯的各种数据信息，主要包括：灯器的数据信息、灯船、灯浮标的位置信息及撞击信息、供电系统数据信息及其他辅助设施的数据信息。本系统应能对航标灯实施以下主要遥测项目：
（1）能遥测浮标经纬度和运动速度，并计算基点偏移值。移动时记录轨迹。
（2）能遥测航标灯闪光周期、闪光方式或灯质（预设灯质、当前灯质）。
（3）能遥测航标灯工作状态（主/从、正常/异常）。
（4）能遥测航标灯电源工作状况（开、闭路，工作电流、电压）。
（5）能遥测航标灯蓄电池电压。
A．灯器数据
灯器工作电压：精度等级：0.5
灯器工作电流：精度等级：0.5
灯质(明暗时间S)：分辨率：0.01S
可用灯泡数：0－6个（预留）
日光阀阈值：Lux
B．船舶、灯船、浮标的水平位置
经度：分辨率：0.0001’ （WGS84 坐标系）
纬度：分辨率：0.0001’ （WGS84 坐标系）
速度：浮标运动速度 海里/小时
5.2供电系统
电池电压：精度等级：0.5
工作电流：精度等级：0.5
5.3连续采集并监测
监控终端需要不间断地实时进行数据采集，随时监测航标的工作状况，以便在出现故障后可以即时报警。采集频率应≥1次／分钟。
5.4定时发送数据
监控终端需每隔一段时间向中心站发送这段时间的数据信息，以便监控中心能够对这段时间航标工作状态进行监控，定时发送间隔可由监控中心设定。
5.5应答功能
航标监控终端能在接收到查询指令后．适时发送数据信息给监控中心。
5.6自动报警功能
自动进行设定范围判断，当航标异常时或采集到的数据信息超出设定范围时，即时主动地自动发送报警信息：
（1）浮标超出位移范围（10米、20米、30米等可调）终端能主动判断和自动报警，超出最大漂移范围报警，船舶超出航行范围报警。报警时自动跟踪并可保存和回放历史轨迹，便于找回丢失的航标。
（2）电源欠压、过压报警（报警临界值可设定和修改）。
（3）闪光异常报警（闪光方式或灯质错误报警）。
（4）发光异常报警（如白天灯发光，夜晚不发光，可用灯泡数不足等）。
以上报警都是由监控终端主动判断报警，并将报警信息发送到监控中心，通过声音、图象等提示值班人员，或通过短信通知值班人员。
监控中心后台也能实现监控终端超时、通信异常等报警。
5.7休眠省电功能
监控终端在发送完数据后或接受监控中心指令自动进入休眠省电状态，在休眠省电状态下监控终端工作电流小于20MA，同时还能随时接收监控中心的查询、遥控设置等指令并马上唤醒。
检测电路在休眠省电状态下也一直处于工作状态，位移漂移、撞击、航标灯异常或参数超限时都能马上唤醒监控终端主机并向监控中心发送报警信息。
5.8遥控功能
监控终端能够接收来自中心站的遥控指令，根据指令要求对航标或其他设施进行相应控制。能对航标灯和监控终端RTU实施以下遥控设置项目：
（1）能实现监控终端RTU的远程重启和登录。
（2）能使监控终端RTU停止上传数据，并在GIS图上删除超时RTU。
（3）能远程改变远端终端RTU的工作模式（登录、轮询、点名、报警等）。
（4）能远程设置监控终端RTU各种工作模式时上传数据的时间间隔。
（5）能远程设置监控终端RTU的报警条件（位移范围、漂移范围、电压过压欠压范围、异常发光状态、最后可用灯泡数等）。
（6）能远程设置每个航标灯的报警灵敏度，减少误报警次数。
（7）如果航标灯器具备通信接口，监控终端能通过标准通信接口，能设置改变智能航标灯的灯质、日光阀值等参数。
根据实际情况，还可以增加其它类型的遥控功能。
6.通信系统要求
数据传输采用无线GPRS/GSM的通讯组网模式，必须满足系统总体要求，包括实时性、可靠性和经济性要求。
采用移动GPRS/GSM方案时，监控中心通过2M光纤和路由器连到当地移动公司的航标监控GPRS专用网关或路由器。远端终端RTU通过移动GPRS网络与监控中心相连。GPRS网络作为承载通道，将数据包透明发往监控中心，双方互联路由器之间采用私有IP地址进行广域连接，在移动GGSN网关与航标处互联路由器之间采用GRE隧道，采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。为海事客户分配专用APN，普通用户不得申请该APN，用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN。
图2：无线GPRS/GSM的通讯网络结构图