鲍 凯，潘 洪 军，亓 常 松
(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316000)
摘要：为了有效监控和规范采砂船的作业行为，基于GPRS技术，运用北斗导航定位技术设计了采砂船舶位置跟踪和航行线路的实时监控系统。系统可根据采砂船的位置和时间来判断采砂船采砂作业是否合法。系统设备的电源采用自供电，运用清洁的太阳能为设备供电，而GIS服务器接收到北斗卫星信号后，结合AIS电子海图，可实时在电子海图上显示采砂船的位置并对是否违规进行分析。由于主控芯片使用了Atmegal28单片机芯片，设计的采砂船监控系统具有成本低、体积小、能耗低、绿色无污染和系统性能可靠等特点。
关 键 词：GPRS； 北斗导航技术； 船舶实时监控； 自供电系统
随着现代城市化进程不断加快，人们对建筑材料砂石的需求不断加大，而海砂在处理后可以作为建筑材料，是一种不可再生的矿物资源。据调查，在我国舟山海域可供开采的海砂储量越来越少，目前舟山海域作业的海砂船采砂量比初期增长了10倍多，其中许多是非法采砂。数据显示，截至2011年，舟山海域可供开采的海砂储量仅约1亿m3，虽然政府部门加大打击非法采砂并逐年下调开采量，但舟山的海砂资源还是面临着枯竭的危险[1]。这种无规划的海底采砂可能造成海底沉降而危害船舶行驶安全，并对附近桥梁工程造成损害，破坏海洋生态环境，从而影响渔业资源等，并严重影响了舟山海域航道、锚地安全。随着基础设施建设需砂量不断加大，这些违规开采的海砂可能未经处理就流入建材市场，对建筑安全造成致命的威胁。目前，导航定位技术已经广泛应用于各个工作领域和生活中，如车辆导航、婴幼儿及老人看护和智能交通管理等[2]，但在采砂船舶管理中应用较少。虽然现在市场上的导航定位产品一般都使用GPS定位，但随着中国的北斗卫星导航系统的推广和完善，在我国会因其独有的优势而被广泛应用于各个领域[3]。为了对采砂船舶实行有效监控，我们设计了将GPRS通信和北斗定位结合的采砂船舶监控系统。
系统主要由移动产品终端和GIS服务器端两部分组成。系统通过对采砂船位置的实时监测，可准确找出违规采砂船，以达到监控采砂船的目的。
监控系统的监控原理是通过北斗卫星定位模块实现对采砂船舶的定位，确定采砂船舶的行驶路线，系统自带自供电电源，可保证每天对采砂船舶的24 h监控[4]。移动终端机采用Atmegal28单片机技术，将获取的船舶位置数据通过GPRS网络发送到后台监控中心的GIS服务器进行接收，通过登记存储在服务器中的船舶信息与船舶北斗信息进行匹配，并在电子地图上对采砂船舶位置实时显示。监控中心可通过船舶停留时间和位置来检测采砂船是否在规定时间和区域进行采砂作业。若不在规定时间作业或在法定区域外停留过长时间，系统跳出警告页面进行提示警告，执法部门再根据提示的船舶信息进行相关调查，达到了对采砂船舶实时监控和预警的目的。图1为船舶监控系统总结构图。
图1 船舶监控系统总体结构
移动终端是前端信息采集的核心设备，主要由Atmegal28单片机处理器、北斗卫星接收模块、GPRS无线传输模块、自供电电源等部分组成。其中北斗卫星接收模块用来获取船舶的位置信息，Atmegal28单片机用来获取和处理数据，GPRS模块用来传输位置信息到服务器，自供电电源用来给系统供电，同时系统运行看门狗监视，当程序运行错误或GPRS通信被挂起，系统程序会自动重新运行。
2.1 北斗卫星接收模块
随着中国北斗卫星的不断发展和覆盖率的扩大，其导航系统已经广泛应用于交通运输、通信、电力、金融、气象、海洋、水文监测等各个方面[5]。
北斗卫星接收模块主要由天线模块、射频模块、基带信号处理模块和导航信息处理模块等组成。为提高系统性能，降低信号损失，此模块的天线设计为有源天线，内置LNA，信号损失较小，而采用的北斗二代基带芯片的设计保证了系统小型化、功耗低、模块化的要求，所以北斗卫星模块可以有效完成设计目标。图2为北斗卫星接收模块图。
图2 北斗卫星接收模块
2.2 GPRS通信模块
GPRS(General Packet Radio Service)是基于第二代通信技术GSM的升级，但相比较GSM费用更低，速度更快[6]，并且GPRS向下兼容GSM网络，覆盖范围广，所以GPRS数据传输也广泛应用于实况监控、移动终端的数据传输等领域[7]。
升级后的GPRS添加了两个网络节点：GPRS服务支持节点(SGSN)和网关支持节点(GGSN)。其中GGSN不仅让外部分组交换网互通，并且可以让GPRS网和SGSN连接。GPRS通信模块接收到由单片机传输来的采砂船位置数据，被GPRS分组数据发送到GSM基站。这些数据被SGSN封装后，SGSN会通过GPRS网与网关接点GGSN进行通信。GGSN对数据进行相应的处理，发送到目的网络，如Internet和其他GPRS网络。此系统可将船舶的位置数据发送到Internet，由后台服务器通过TCP/IP接受并处理。
2.3 自供电电源模块
在移动终端中设计了自供电系统。该系统使用的是太阳能浮充锂电池供电方式。由于不能保证每艘采砂船都有稳定可靠的电源为该设备提供电源，因此采用自供电系统，以保障设备安全运行，也不会因电压不稳定而对设备造成损坏[8]。
光伏太阳能可能会因为光照强度不同，导致输出电压不能够稳定，可以使用TP4056芯片保证输出恒定电流与电压。TP4056是一款完整的单节锂离子电池，采用恒定电流和恒定电压的线性充电控制芯片，其中基于TP4056芯片的充电电路如图3所示。当输入的电压大于锂电池低电压阈值和芯片输入端能接高电平时，TP4056芯片开始对锂电池进行充电，当CHRG 引脚输出低电平时，表示充电正在进行。当充电电流小于充电结束阈值时，充电周期结束，CHRG端输出高阻态，STDB端输出低电位。
图3 基于TP4056芯片充电电路
当采砂船舶监控系统在光照充足时，由太阳能板获得的电不仅可以直接给各模块供电，还可以将电存储在锂电池内。当没有光照时，锂电池可以为设备供电，所以该模块可以保障设备持续不间断地运行。
采砂船舶监控系统的服务器端主要由GIS功能模块、数据管理模块和通信模块组成[9]。GIS服务器接
入Internet和配置静态IP地址，通过通信模块可以随时接收到每条采砂船用GPRS传输过来的位置信息并存储，然后在电子地图上显示出其位置并绘制每条采砂船舶的航行路线[10]。图4是系统总流程图。服务器可以根据采砂船的位置和时间节点来判断采砂船舶是否存在违规违法的采砂活动，并列出可能存在违规的采砂船舶的船名、位置和船长等信息，执法部门可以根据信息进行后续调查。
图4 系统总流程
本文设计了基于GPRS的采砂船舶监控系统。该系统硬件由北斗卫星接收模块、GPRS数据传输模块和单片机芯片及其他外围电路组成，GPRS网络可实时传输北斗卫星模块接受到的位置信号并传输到Internet,后台GIS服务器端通过TCP/IP协议可以接受每条采砂船的位置信息，在电子地图上显示并存入数据库，从而找出其中违规采砂船舶。采砂船舶监控系统能对违规采砂的行为进行有效监控，从而遏制破坏海洋环境的行为和保护航道及海上工程安全，从源头规范海砂的开采，使海砂资源得到最大化利用。
参考文献：
[1] 孔海英.舟山海洋经济发展报告[J].统计科学与实践,2010(9)：4-6.
[2] 王忠.基于物联网的公车管理系统研究[J].信息化研究,2012(12)：1-5.
[3] 鲍骏.基于北斗定位的车辆监控系统的研究[D].南京：南京理工大学,2014.
[4] 董哲.基于GPS接收机的车辆运行路线记录仪[D].济南：山东大学,2014.
[5] 邱望智.基于GPS/北斗卫星的列车导航定位研究[D].北京：北京交通大学,2014.
[6] 燕丽红.基于GPRS技术的远程数据传输系统的研究[D].西安：西安科技大学,2006.
[7] 傅中君.嵌入式GPRS无线通信模块的设计与实现[J].计算机工程与应用,2014(14):162-164.
[8] 江汉.折叠式野外太阳能充电器设计与实现[J].电子设计工程,2015(3):178-180.
[9] 欧涛，程论.基于GIS的船舶监控系统的设计和实现[J].信息科学,2009(11)：51-53.
[10] 朱文凯.基于ARM和Linux的导航终端的设计与实现[D].大连：大连海事大学,2008.
(编辑：常汉生)
Abstract: GPRS technology and Beidou Navigation Satellite System (BDS) is used to design a real-time monitoring system for effective monitoring the position and tracking line of sand mining vessel. The system can judge whether the sand mining operations are legal or not according to the operation position and time of the sand vessel. The power supply of the system is designed by using solar energy. After receiving Beidou satellite signal of GIS server, with AIS electronic chart, the system can display real-time location of sand mining vessel and analyze sand mining behavior. Because Atmegal28 microcontroller chip is used as the main control chip, the system has the characteristics of low cost, small size, low energy consumption, no pollution and reliable system performance.
Key words: GPRS; Beidou Navigation Satellite System (BDS); real-time monitoring of sand mining vessel; self-power supply system
BAO Kai, PAN Hongjun, QI Changsong
(Port and Transportation Engineering School, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China)
中图法分类号： TP391
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.18.005
收稿日期：2017-05-05
基金项目：浙江海洋技术电子创新团队
作者简介：鲍 凯，男，硕士，主要从事嵌入式开发研究。E-mail：baokai123@foxmail.com
通讯作者：潘洪军，男，教授，博士，主要从事3S技术通讯方面的研究。E-mail：hongjunp66@163.com
文章编号：1001-4179(2017)18-0020-03
联系客服
