基于STM32I和IDP衛星通信模塊的遠洋船舶實(shí)時(shí)監控系統

摘要：針對遠洋中無(wú)GPRS信號不能進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的問(wèn)題，設計了以STM32F103VCT6單片機與IDP衛星通信模塊為平臺的遠洋船舶實(shí)時(shí)監控系統。本系統具有高精準度、實(shí)時(shí)性強、全天候監控等特點(diǎn)。給出了系統的工作原理、硬件設計與軟件實(shí)現方法，詳細分析了中央控制模塊、GPS定位信息采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊。實(shí)驗結果驗證了采用STM32F103VCT6單片機與IDP衛星通信模塊設計遠洋船舶監控系統的可行性。通過(guò)該系統，可實(shí)時(shí)監控遠洋船舶的地理位置信息以及其他信息，最大限度地確保遠洋船舶航運中的安全。

引言

本文采用ARM芯片作為控制核心，設計了一款以GPS定位模塊與衛星通信模塊為依托的遠洋船舶實(shí)時(shí)監控系統。該系統能夠按照用戶(hù)要求定時(shí)上傳遠洋船舶的位置信息以及航向信息，解決了傳統船舶定位和救援中出現的問(wèn)題，保證了船舶動(dòng)態(tài)監測及時(shí)、準確、可靠。同時(shí)該系統方便擴展其他功能，以便獲得更廣泛的應用。

1 系統整體設計

搭載在船舶上的專(zhuān)用電路板實(shí)時(shí)采集船舶的位置、速度、航向、SOS報警等信息。專(zhuān)用電路板將采集到的數據處理后，經(jīng)衛星通信模塊發(fā)送至海事通信衛星，通過(guò)海事衛星將數據傳輸到地面接收站供給用戶(hù)使用。系統整體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 硬件總體設計

硬件系統采取模塊化設計，主要分為中央處理模塊、GPS定位模塊以及衛星通信模塊等，硬件結構如圖2所示。數據的加工處理及輸入/輸出控制由ST公司的STM32F103VCT6處理器完成。處理器接收到GPS數據后對數據處理并定時(shí)上傳加工后的定位數據至地面接收站。GPS定位模塊采用Globalsat公司的ET-314，通過(guò)該模塊實(shí)時(shí)更新GPS定位數據。衛星通信模塊采用加拿大Skywave公司的IDP衛星通信模塊，該模塊通過(guò)國際海事衛星(Inmarsat)來(lái)實(shí)現與地面接收站之間的全天候、廣區域、高可靠性的雙向通信。為了備份長(cháng)時(shí)間的定位數據，采用了SST公司的SST25VF016B芯片作為外部Flash來(lái)實(shí)現數據存儲的功能。

2.2 中央控制模塊

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

中央控制模塊STM32F103VCT6作為本系統設計的核心部分，負責數據地采集、分析、加工以及安排數據上傳工作。GPS原始數據會(huì )實(shí)時(shí)傳遞至MCU的串口緩沖區。MCU驗證處理后，通過(guò)串口發(fā)送至衛星通信模塊。SOS報警信息通過(guò)設定的GPIO口發(fā)送至MCU，通過(guò)衛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(lái)實(shí)現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(dòng)時(shí)間短以及探測范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。使用Globalsat ET-314模塊實(shí)現功能如下：

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(shí)間信息。Globalsat ET-314模塊采集到的時(shí)間與GPS時(shí)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(huì )，此方法需要知道衛星瞬間位置。如圖3所示，假設t時(shí)刻在地面上的待測地點(diǎn)放置GPS信號接收機，測定出GPS信號到達此處接收機的時(shí)間為△t，根據其他已知條件確定以下4個(gè)方程式。其中已知衛星1，衛星2、衛星3、衛星4以及地面接收站的地理坐標分別為(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為衛星時(shí)鐘偏差;dT1，dT2，dT3，dT4為GPS的接收時(shí)鐘偏差項。

通過(guò)聯(lián)立這4個(gè)方程式，可以得到接收機的地理坐標。GPS定位模塊的原理圖如圖4所示，GPS通過(guò)串口與MCU獲得通信。

2.4 衛星通信模塊

衛星通信模塊選用的是加拿大Skywave公司的衛星通信模塊IDP。IDP的通信基于國際海事衛星，通信全球覆蓋不受外界因素限制。IDP還具備傳輸數據能力強的優(yōu)點(diǎn)，其單次發(fā)送數據可達6 400字節，單次接收的數據量可達10 000字節。IDP支持二次開(kāi)發(fā)，方便用戶(hù)將IDP接入其他產(chǎn)品中使用。

國際海事衛星通信系統是世界上第一個(gè)全球性的移動(dòng)業(yè)務(wù)衛星通信系統。Inmarsat通信系統基本是由四部分組成，即空間段、網(wǎng)絡(luò )協(xié)調站(Network Coordination Station)、衛星地面站(Land Earth Station)和衛星船站(Mobile Earth Station)。IDP680即為衛星船站。發(fā)送信息經(jīng)衛星地面站處理后經(jīng)專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)轉發(fā)至用戶(hù)服務(wù)器供用戶(hù)分析使用。終端發(fā)起通信流程如圖5所示。

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

配置衛星通信模塊使用中斷方式接收MCU通過(guò)串口傳輸過(guò)來(lái)的數據。校驗正確后，衛星通信模塊執行發(fā)送數據功能。用戶(hù)發(fā)送的遠程指令，衛星通信模塊接收后通過(guò)串口傳輸至MCU，MCU使用中斷方式處理串口傳輸過(guò)來(lái)的數據。校驗正確后，執行相應的命令動(dòng)作。