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    白洋淀湿地无人船自主定位监控系统

    时间:2021/04/13  点击量:

      摘  要: 针对白洋淀湿地静态监测节点存在维护困难等问题,提出了一种采用无人船作为动态监测节点的方法。应用GPS技术和GPRS技术实现对无人船的定位监控,系统主要分为船载单元和监控中心两大部分。船载单元采集、传输无人船定位信息以及接收上位机命令控制船体运动。使用C#语言在Visual Studio2010环境下开发监控中心软件,监控中心实现无人船在电子地图中的定位显示和船体控制命令的下发。实验表明,该系统运行稳定可靠,具有使用方便、维护简单等优势。

      关键词: 无人船;定位;电子地图;远程监控系统

    0 引言

      白洋淀湿地是华北地区温带湿地的典型代表,对改善华北地区生态环境起着非常重要的作用[1]。由于华北地区持续干旱及近年来淀区经济发展、人口增加,使白洋淀湿地生态系统正受到前所未有的压力,因此在白洋淀湿地建立长期的监测站点就显得尤为重要。目前湿地生态监测节点主要由静态监测节点组成,静态节点覆盖范围小、维护困难,对于一些复杂水域很难利用静态节点监测。无人船可以在水上航行,因此可以利用无人船作为动态节点进入该区域完成任务,无人船扩大了湿地现场监测范围。系统主要对无人船远距离控制技术进行研究,采用全球定位系统GPS(Global Positioning System)技术实现自主定位,为了更直观地显示无人船位置,引入了电子地图进行位置匹配[2];监控中心完成船体位置显示和船体控制命令下发,真正实现了对无人船的远程控制。

    1 系统总体设计方案

      系统应用GPS定位技术和GPRS无线通信技术实现对湿地无人船的远程监控。无人船远程监控包括远程监测和远程控制两部分,远程监测实现船体位置定位及实时显示,远程控制则是远距离控制无人船运动方向。

      1.1 系统构成

      无人船监控系统主要由船载单元和监控中心两部分构成。采用无线通信方式实现监控中心和船载单元之间的数据通信,系统结构如图1。

    001.jpg

      船载单元主要由GPS模块、GPRS模块、驱动模块和微处理器组成,监控中心由一台可以联网的计算机组成,船载单元利用GPRS模块连入GPRS网络,监控中心连接Internet网络,两者之间采用TCP/IP协议进行信息交换。

      1.2 系统功能分析

      无人船利用装载的GPS模块可以对船体进行定位,微处理器将接收到的GPS数据进行解析,提取出位置信息并通过GPRS模块发送到Internet服务器,监控中心软件通过添加电子地图更直观地显示无人船位置,同时也可以利用SQL数据库对数据进行存储。监控中心可以向船载单元下发控制指令,当微处理器通过GPRS模块接收到控制指令后将其解析为相应控制字并写入驱动模块,然后驱动模块根据控制字控制电机转向,最终达到操控无人船运动的目的。

    2 船载单元设计

      2.1 船载单元硬件搭建

      船载单元硬件主要包括微处理器、GPS模块、GPRS模块和驱动模块等。微处理器选择STM32F103增强型系列,其内核是ARM32位的Cortex-M3CPU,工作频率最高可达72 MHz,同时配置128 KB闪存程序存储器、最大64 KB SRAM(静态随机存取存储器)、11个定时器、13个通信接口和2通道12位D/A转换器,该增强型单片机具有功能强、能耗低、可靠性高等特点[3]。采用信号接收器G591作为GPS定位模块,该模块具备多径探测和矫正功能,定位精度可达3 m,具有基准时钟范围大、灵敏度高和抗干扰能力强等特点,因此很适合在湿地环境中应用。采用GTM900无线通信模块作为系统GPRS模块,该模块支持标准的AT指令集,同时配有丰富的头文件资料。系统选择L293D作为船载单元的电机驱动模块,该模块采用ST公司全新的L293D功率型双向驱动芯片,具有易于安装、稳定性高、使用方便等特点。船载单元硬件连接方式如图2。

    002.jpg

      G591模块通过串口1向STM32发送无人船定位信息;GTM900模块通过串口2与STM32芯片建立通信,GPRS模块主要完成数据打包发送和接收功能;STM32芯片通过串口3和RS232连接,通过RS232接口与计算机连接实现程序下载;STM32通过I/O口向驱动模块L293D发送控制字,驱动模块根据控制字对电机转向进行控制,从而达到操控无人船运动的目的。

      2.2 船载单元软件设计

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