CN106483532A - 一种新型海洋铱星gps信标机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型海洋铱星GPS信标机，电源控制层包括电池充放电保护电路、5V电源稳压电路和3.3V电源稳压电路；电路主板层包括MCU电路、复位电路、高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、JTAG调试接口电路、铱星模块电路、Zigbee模块电路、模拟开关电路、AD电压采集电路和出水监测电路；开关控制层包括太阳能充放电控制器、LED控制电路、水密旋钮开关；天线定位层包括电源开关、铱星天线、Zigbee天线、GPS模块、出水检测开关、充电口、复位按键；太阳能电池板及LED层包括太阳能电池板、LED灯。本发明集成了卫星定位、无线定位、LED示警、实时出水监测、太阳能电池板充电、电量实时显示等功能。

Description

一种新型海洋铱星GPS信标机

技术领域

本发明涉及一种信标机，更具体的说，是涉及一种新型海洋铱星GPS信标机。

背景技术

在海洋环境监测领域，浮标、潜标、波浪能滑翔器、水下滑翔器等是获取定点海洋环境监测数据的最普遍的搭载平台。作为一种连续、长期、无人值守的观测系统，这些海洋环境监测设备一直以来备受海洋研究者和海洋工程人员的青睐。浮标、潜标、波浪能滑翔器、水下滑翔器等海洋环境监测系统往往布放于广袤的海面或一定深度的水下，系统集成了很多昂贵的测量与探测仪器设备，设备在测量过程中也存储了大量的宝贵数据，如果在试验或者工作的过程中，设备或数据遗失将会造成巨大的经济和科研损失。因此如何实现系统的可靠回收是海洋环境监测系统布放前必须考虑的问题之一。目前，基于水声定位技术的超基线定位、长基线定位及短基线定位系统等作为主要的水下定位技术，由于系统复杂、所用设备昂贵、布放回收困难，所以并没有成为现今海洋环境监控设备的主要回收方式。目前潜标和水下工作站的回收基本上都采用了将系统投放时的GPS定位数据当作回收位置的方式，但是海洋环境监测系统容易受到海洋风暴、渔船的拖网作业、洋流等各种因素的影响，系统在回收之前很可能会发生较大变化，这样给海洋环境监测系统的搜寻和回收带来了巨大的困难，甚至可能造成设备的损坏与数据的丢失，从而造成巨大的经济损失。由于国内还缺乏有效的用于搜寻的信标机产品，往往设备布放前需要耗费大量人力物力及财力进行多次试验以提高回收可靠性，因此研发一款行之有效的海洋信标机产品迫在眉睫。

信标机是一种装在目标物体(火箭、飞机、船舶等)上能发射电磁信号并与雷达配合工作的电子设备，也称应答机或信号发生器，一般是能够发射自身地理位置信息的单向信号发射装置。由于信标机能够快速的标示并发射携带当前时间、自身经纬度、海拔高度等时间地理位置信息的信号，因此被广泛应用到军民领域的遇险救援和目标搜索的辅助定位中。海洋信标机作为信标机的一种，主要布放于海洋设备和仪器上，功能是用于实时定位当前设备所在位置，用于对设备的监控和回收。

当前，海洋信标机完成辅助潜标系统等设备回收的方法一般有三种：一种是信标机系统中具有GPS定位功能和卫星通讯功能。当潜标浮出水面后，信标机开始工作，信标机获得当前的位置信息，然后将获得的位置信息通过铱星通讯系统，发送到搜寻船只上的接收端，接收端根据获得的GPS位置信息能够确定信标机与当前船只的相对位置。这种实现方法虽然定位精度高但成本也高，实现起来也比较麻烦，且受环境的影响比较大。另一种，信标机系统中具有能够实现远距离无线数据传输的无线电台模块，模块每间隔一定的时间通过信标机上的全向天线发送一定数量的数据，而搜寻船只上的用户端通过定线天线接收这些信息，定向天线在对准信标机时信号强度最大，因此可以利用获得的信号强度，来判断信标机的大致方位。这种方法的成本比较低，使用也比较方便，但是定位精度不高，而且搜寻范围受无线模块通信距离的限制。还有一种，信标机在浮出水面之后，会开启信标机上的高亮指示灯，指示灯每间隔一定时间闪烁一次，这样在视野范围比较好的海面上，搜寻人员可以很轻松的找到潜标系统，尤其在夜晚使用时更为方便。这种方法的优点很明显，使用非常简单，只需要一个信标机，而不需要用户端设备，成本非常低。缺点也同样明显，在白天使用时，不容易发现，而且这种类型的设备使用距离更短，受天气的影响也比较大。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种能够实现卫星定位、无线定位、LED示警等功能的新型海洋铱星GPS信标机，集成了卫星定位、无线定位、LED示警、实时出水监测、太阳能电池板充电、电量实时显示等功能，对于长期在海洋水表面及水下使用的海洋设备具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种新型海洋铱星GPS信标机，包括外壳，所述外壳内部由下至上依次设置有电池组层、电源控制层、电路主板层、开关控制层、天线定位层和太阳能电池板及LED层；

所述电源控制层包括依次连接的电池充放电保护电路、5V电源稳压电路和3.3V电源稳压电路，所述电池充放电保护电路与电池组层相连接；

所述电路主板层包括由3.3V电源稳压电路供电的MCU电路，所述MCU电路连接有复位电路、高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、JTAG调试接口电路、铱星模块电路、Zigbee模块电路、模拟开关电路、AD电压采集电路和出水监测电路；

所述开关控制层包括与电池组层连接的太阳能充放电控制器，所述太阳能充放电控制器连接有LED控制电路，所述太阳能充放电控制器和5V电源稳压电路之间连接有水密旋钮开关；

所述天线定位层包括连接于电池充放电保护电路和5V电源稳压电路之间的电源开关、与铱星模块电路连接的铱星天线、与Zigbee模块电路连接的Zigbee天线、与MCU电路连接的GPS模块、与出水监测电路连接的出水检测开关、与电池充放电保护电路连接的充电口、复位电路中的复位按键；

所述太阳能电池板及LED层包括与太阳能充放电控制器连接的太阳能电池板、与LED控制电路连接的LED灯。

所述外壳设置为T型，包括上下连接的亚克力罩和耐磨壳体，所述耐磨壳体设置为圆筒形。

所述电池组层和电源控制层之间、电源控制层和电路主板层之间、电路主板层和开关控制层之间均采用铜柱结构和电气接插件的方式进行连接；所述开关控制层和天线定位层之间采用铜柱结构进行连接，所述天线定位层和太阳能电池板及LED层之间采用铜柱结构进行连接。

所述复位电路、JTAG调试接口电路、Zigbee模块电路、模拟开关电路和AD电压采集电路均由3.3V电源稳压电路供电，所述铱星模块电路由5V电源稳压电路供电。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明相对于其他市面上的信标机系统体积更小，整个设备呈圆筒状，便于运输和携带；

(2)本发明采用不锈钢耐磨壳体和亚克力罩，使用水密旋钮开关，可潜至水下4km不损坏、不漏水；

(3)本发明自带出水检测功能，当海洋信标机处于水面以下时，海洋信标机进入超低功耗模式以节省电量，当自动检测到海洋信标机浮出水面后，海洋信标机退出超低功耗模式并启动GPS和卫星，开启定位通讯。同时，出水检测的方式不再使用传统的深度计，取而代之的是使用555计数器检测电容在海水中及在空气中的变化从而判断是否出水。这不仅可以降低成本、节省功耗，还可以解除深度计对信标机体积的占用，使信标机向更微、更简、更高可靠性的方向发展；

(4)本发明集卫星通讯、无线通讯、LED警示灯于一体。当前大部分的信标机只集成了其中一种或两种通讯回收方式。在三种通讯方式中，卫星通讯全球定位但功耗较高，通讯环境要求比较严苛且频率较慢；无线通讯功耗低、通讯频率快，但通讯距离有限，不适合超过10km的远距离通讯；LED警示灯控制方式最为简单，使用起来也最直观了然，但使用场合多为夜晚，白天使用意义不大。本海洋信标机对三种通讯方式取其所长、避其所短，互相配合完成定位回收功能。在远距离监控时使用卫星通讯方式，不仅可以查看当前设备的坐标位置还可以查看设备运行路径等信息，工作人员可以在陆地上就对设备进行有效监控；在小范围回收时，启动无线通讯方式，接收定位数据的频率要明显高于卫星通讯方式，可以更快速的实现设备的回收；在夜晚回收设备时，LED警示灯的作用效果更加明显，能够更加直接快速的对设备进行回收。因此三种方式共同协作，相比传统的信标机极大的提高了工作效率；

(5)本发明可以进行太阳能充放电。由于传统的信标机都使用电池供电，而电池的电量是制约信标机使用寿命的一大难点。对于长期漂浮在海表面，接受太阳光照射的海洋设备，太阳能资源是取之不尽用之不竭的无限资源。将太阳能转换为电能储存在锂电池中，解决了传统信标机电池电量一旦耗尽，设备就可能失联的隐患。提高了海洋信标机在海洋上的生存能力；

(6)本发明在卫星通讯方面，使用的通讯方式为铱星，铱星模块不仅体积小易封装，而且功耗低、通讯协议简单易操作、单次通讯量大等。相较于传统的北斗通讯等，铱星通讯更加适合于该海洋信标机。除此之外，相较于传统的信标机，本海洋信标机的卫星通讯功能可实现半双工模式，设备不仅可以主动发送经纬度坐标、电量值等信息给岸基，还可以对岸基站发送的指令进行应答和响应，提高了海洋信标机的智能化水准；

(7)本发明在无线通讯方面，使用的无线通讯方式为Zigbee，而Zigbee技术作为组网通讯的最佳手段，可以在未来的使用中，多个海洋信标机可以进行组网编队，互通信息有无。这可以将海洋信标机从一个点扩展到一个面，对一个区域内的多种设备进行有效的监控和回收；

(8)本发明在主动保护方面，自带电量实时监测功能，一旦监测到电池电量过低，本信标机自动降低通讯频率并发送一组报警信号至岸基，等待救援，降低了信标机由于电量过低而造成的丢失或损坏的可能性。

附图说明

图1是本发明的总体剖面图；

图2是本发明的结构框图；

图3是本发明中电池组层的电路图；

图4是本发明中电池充放电保护电路原理图；

图5是本发明中5V电源稳压电路原理图；

图6是本发明中3.3V电源稳压电路原理图；

图7是本发明中磁珠接地原理图；

图8是本发明中MCU电路原理图；

图9是本发明中复位电路原理图；

图10是本发明中高速晶体振荡器原理图；

图11是本发明中低速晶体振荡器原理图；

图12是本发明中JTAG调试接口电路原理图；

图13是本发明中铱星模块电路原理图；

图14是本发明中Zigbee模块电路原理图；

图15是本发明中模拟开关电路原理图；

图16是本发明中AD电压采集电路原理图；

图17是本发明中出水监测电路原理图；

图18是本发明中太阳能充放电控制器电路原理图；

图19是本发明中水密旋钮开关电路原理图；

图20是本发明中LED电源控制电路原理图；

图21是本发明中LED稳流电路原理图；

图22是本发明的软件设计流程图。

附图标记:Ⅰ电池组层；Ⅱ电源控制层；Ⅲ电路主板层；Ⅳ开关控制层；

Ⅴ天线定位层；Ⅵ太阳能电池板及LED层；Ⅶ亚克力罩；Ⅷ耐磨壳体；

C1第一电容；C2第二电容；C3第三电容；C4第四电容；C5第五电容；C6第六电容；C7第七电容；C8第八电容；C9第九电容；C10第十电容；C11第十一电容；C12第十二电容；C13第十三电容；C14第十四电容；C15第十五电容；C16第十六电容；C17第十七电容；C18第十八电容；C19第十九电容；C20第二十电容；C21第二十一电容；R1第一电阻；R2第二电阻；R3第三电阻；R4第四电阻；R5第五电阻；R6第六电阻；R7第七电阻；R8第八电阻；R9第九电阻；R10第十电阻；R11第十一电阻；Q1第一N沟道MOS管；Q2第二N沟道MOS管；Q3第三N沟道MOS管；Q4三极管；S1电源开关；K1复位按键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的一种新型海洋铱星GPS信标机，如图1所示，包括外壳，所述外壳设置为T型，包括上下连接的亚克力罩Ⅶ和耐磨壳体Ⅷ，所述耐磨壳体Ⅷ设置为圆筒形，采用不锈钢制作。所述外壳内部设置为六大模块，每一个模块占据一层，包括由下至上依次设置的电池组层Ⅰ、电源控制层Ⅱ、电路主板层Ⅲ、开关控制层Ⅳ、天线定位层Ⅴ和太阳能电池板及LED层Ⅵ，如图2所示。为了适应多种海洋平台，尤其是对于波浪能滑翔器、水下滑翔器等体积较小的海洋移动平台，海洋信标机的尺寸应尽量减小以满足海洋平台的可挂载性。基于这种目的，对海洋信标机的多层模块进行叠加式排放，组成一个层叠式的圆柱状形态，尽可能的减小了信标机的体积。所述电池组层Ⅰ和电源控制层Ⅱ之间、电源控制层Ⅱ和电路主板层Ⅲ之间、电路主板层Ⅲ和开关控制层Ⅳ之间均采用铜柱结构和电气接插件的方式进行连接；所述开关控制层Ⅳ和天线定位层Ⅴ之间采用铜柱结构进行连接，所述天线定位层Ⅴ和太阳能电池板及LED层Ⅵ之间采用铜柱结构进行连接。各个模块层之间以接插件的方式进行连接，层层相扣，最大程度的减小了海洋信标机占用的体积。下面就每一层进行详细介绍。

一、电池组层Ⅰ

所述电池组层Ⅰ为整个系统提供电源，可采用16节锂电池进行8并2串组成，单只锂电池电压为3～4.2V，容量为1.7Ah，组合后的电池总电压为6～8.4V，容量为13.6Ah，如图3所示，其中，BTI～BT16分别代表锂电池。

二、电源控制层Ⅱ

所述电源控制层Ⅱ将锂电池输出的电源进行稳压和降压，同时在锂电池充放电过程中进行保护，防止由于锂电池异常充放电造成损坏或爆炸。所述电源控制层Ⅱ包括依次连接的电池充放电保护电路、5V电源稳压电路和3.3V电源稳压电路，所述电池充放电保护电路与电池组层Ⅰ相连接。

(1)电池充放电保护电路

所述电池充放电保护电路可以在锂电池的充电过程中，监控过压、过流、过放、短路等异常行为的发生，防止因为锂电池的异常充放电造成信标机电源系统的故障。根据实际情况，选择日本精工半导体公司生产的电池保护芯片S-8252，S-8252系列内置高精度电压检测电路和延迟电路，是用于2节串联锂离子/锂聚合物可充电电池的保护IC。S-8252系列最适合于对2节串联锂离子/锂聚合物可充电电池组的过充电、过放电和过电流的保护。

通过S-8252搭建的电池充放电保护电路如图4所示，所述电池保护芯片S-8252的正电源输入端VDD连接有第一电阻R1,所述电池保护芯片S-8252的电池正负极连接端VC连接有第二电阻R2，所述正电源输入端VDD和负电源输入端VSS之间连接有第一电容C1，所述电池正负极连接端VC和负电源输入端VSS之间连接有第二电容C2，所述电池保护芯片S-8252的放电控制端DO和负电源输入端VSS之间连接有第一N沟道MOS管Q1，所述第一N沟道MOS管Q1和充电控制端CO之间连接有第二N沟道MOS管Q2，所述第二N沟道MOS管Q2和电压检测端VM之间连接有第三电阻。所述第一电阻R1一端连接正电源输入端VDD，另一端连接电池组层Ⅰ的电源正极，也就是图4中的BATTERY+与图3中的BATTERY+相连接；所述第二电阻R2一端连接电池正负极连接端VC，另一端连接电池组层Ⅰ中两组锂电池的连接端，也就是图4中的B-与图3中的B-相连接；所述负电源输入端VSS连接电池组层Ⅰ的电源负极，也就是图4中的BATTERY-与图3中的BATTERY-相连接。其中，BATTERY+、BATTERY-是16节锂电池8并2串组合后输出的总电源正与总电源负，POWER+、POWER-是经过充放电保护电路保护后供给整个电路使用的负载电源的正极与负极。第一电阻R1、第二电阻R2是用以防止静电冲击及电源波动，并检测过充电电压值，电阻值均在470Ω时，电压检测比较精确。第三电阻R3是充电器反接抑制电阻，为控制充电器在逆连接时的流经电流，其值尽可能取大，在此选择2K效果较好。第一电容C1、第二电容C2均采用滤波电容，典型值为0.01pF。第一N沟道MOS管Q1用于电源的放电控制，第二N沟道MOS管Q2用于电源的充电控制。

(2)5V电源稳压电路

5V电源供给大部分的传感器及外部设备使用，电路如图5所示。其中，采用7805三端稳压集成电路作为5V电源的稳压电源，7805的电源输入口IN和接地端COMN之间并联有第三电容C3和第五电容C5，7805的电源输出口OUT和接地端COMN之间连接有第四电容C4。其中，所述第三电容C3和第四电容C4均采用滤波电容，选取无极性独石电容，容量为0.01uF。所述第五电容C5为整流电容，整合来自电池组输出的电源，选取极性钽电容，容量为2.2uF/16V。所述第五电容C5的输入端还连接有电源开关S1,电源开关S1的另一端连接经充放电保护电路的电源正极，也就是图5中的POWER+连接至图4中的POWER+。

(3)3.3V电源稳压电路

3.3V主要用于MSP430核心芯片及GPS、Zigbee等模块的使用，电路如图6所示。采用ASM1117稳压器作为3.3V电源的稳压电源，ASM1117稳压器的电源输入口VIN和接地端GND之间并联有第六电容C6和第七电容C7，所述电源输出口VOUT和接地端GND之间并联有第八电容C8和第九电容C9，ASM1117稳压器的电源输入口VIN连接5V电源稳压电路的输出端，也就是图6中的5V连接至图5中的5V。其中，所述第六电容C6和第九电容C9均采用滤波电容，选取无极性独石电容，容量为0.01uF。所述第七电容C7和第八电容C8均采用整流电容，选取极性钽电容，容量均为10uF/16V。

除此之外，图5和图6中所有的地线部分均使用磁珠或0欧电阻进行连接，如图7所示。其中，图7中的POWER-连接至图4中的POWER-，FB1、FB2分别表示第一磁珠和第二磁珠。

三、电路主板层Ⅲ

所述主板电路层是整个系统的核心控制单元，上含主控芯片，对整个系统的工作进行调度，同时包含用于通讯的Zigbee模块和铱星模块，并带有电池电量监测及出水监测功能。所述电路主板层Ⅲ包括由3.3V电源稳压电路供电的MCU电路，所述MCU电路连接有复位电路、高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、JTAG调试接口电路、铱星模块电路、Zigbee模块电路、模拟开关电路、AD电压采集电路和出水监测电路。所述复位电路、JTAG调试接口电路、Zigbee模块电路、模拟开关电路和AD电压采集电路均由3.3V电源稳压电路供电，所述铱星模块电路由5V电源稳压电路供电。

(1)MCU电路

主控芯片选用MSP430F149，MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，有60KB+256字节FLASH、2KB RAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位A/D转换器、2个串行通信接口等模块。

MSP430F149芯片具有如下特点：①功耗低：电压2.2V、时钟频率1MHz时，活动模式为200μA；关闭模式时仅为0.1A，且具有5种节能工作方式；②高效16位RISC-CPU，27条指令，8MHz时钟频率时，指令周期时间为125ns，绝大多数指令在一个时钟周期完成；32kHz时钟频率时，16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHz时钟频率时的执行速度；③低电压供电、宽工作电压范围：1.8～3.6V；④灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟；⑤低时钟频率可实现高速通信；⑥具有串行在线编程能力；⑦强大的中断功能；⑧唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6μs；⑨ESD保护，抗干扰力强；⑩运行环境温度范围为-40～+85℃，适合于工业环境。

MSP430系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的，故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器，可以选择汇编或C语言编程，IAR公司为MSP430系列的单片机开发了专用的C430语言，可以通过WORKBENCH和C-SPY直接编译调试，使用灵活简单。芯片原理图如图8所示，其中，MSP430芯片的接地端DVcc连接有第十电容C10，MSP430芯片的电源输入端AVcc连接有第十一电容C11，所述第十电容C10、第十一电容C11、接地端AVss、接地端DVss均连接至3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V，MSP430芯片的电源输入端AVcc连接至图6中3.3V输出端。

(2)复位电路

手动复位是主控系统常用的功能，如图9所示，包括串联于3.3V电源稳压电路的3.3V输出端和接地端DGND_3.3V之间的第四电阻R4和第十二电容C12，所述第十二电容C12两端并联有复位按键K1，另外，图9中的RST端连接至图8中的复位端口RST(引脚58)。当复位按键K1被按下后，RST由高电平转换为低电平，MCU复位引脚58被拉低，系统复位。

(3)高速晶体振荡器

MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。数字控制振荡器DCO已经集成在MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。

如图10所示，所述高速晶体振荡器包括第二晶振Y2(8MHz)，所述第二晶振Y2连接于MSP430芯片的晶振2起振输入端XT2IN(引脚53)和晶振2起振输出端XT2OUT(引脚52)之间，所述第二晶振Y2的两端分别外接第十三电容C13和第十四电容C14，所述第十三电容C13和第十四电容C14均连接至3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V。其中，所述第十三电容C13和第十四电容C14均采用22pF。

(4)低速晶体振荡器

低速晶体振荡器满足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求，低速晶体振荡器默认工作在低频模式，即32.768kHz，还可以通过外接450kHz～8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本发明电路中我们使用低频模式。

如图11所示，所述低速晶体振荡器包括第一晶振Y1(32.768kHz)，所述第一晶振Y1连接于MSP430芯片的晶振1起振输入端XIN(引脚8)和晶振1起振输出端XOUT/TCLK(引脚9)之间，所述第一晶振Y1的两端分别外接第十五电容C15和第十六电容C16，所述第十五电容C15和第十六电容C16均连接至3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V。其中，所述第十五电容C15和第十六电容C16均采用22pF。

(5)JTAG调试接口电路

MSP430系列单片机支持JTAG调试接口，可以实现程序的在线调试和烧写功能，如图12所示。所述JTAG调试接口电路由JTAG-14芯片构成，所述JTAG-14芯片的数据输出端口TDO连接至图8中MSP430芯片的引脚54，所述JTAG-14芯片的数据输入端口TDI连接至图8中MSP430芯片的引脚55，所述JTAG-14芯片的模式选择端口TMS连接至图8中MSP430芯片的引脚56，所述JTAG-14芯片的时钟端口TCK连接至图8中MSP430芯片的引脚57，所述JTAG-14芯片的复位端口TMS连接至图8中MSP430芯片的引脚58，所述JTAG-14芯片的电源地端口GND连接至图6中3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V，所述JTAG-14芯片的电源端口VCC(引脚4)连接至图6中3.3V电源稳压电路的电压输出端3.3V。

(6)铱星模块电路

考虑到海洋信标机的全球通讯定位能力，选用铱星模块IRIDIUM9603作为海洋信标机的卫星通讯手段。IRIDIUM9603的主要特点：①双向数据传输；②频率：1616MHz～1626.5MHz；③传输距离远，覆盖全球；④透明数据传输，无附加协议，编程方便；⑤通信接口为TTL接口，方便与MCU直接连接；⑥功耗较低，静态平均功耗≤1W；⑦体积小，安置简单，可适用于小型仪器。

如图13所示，铱星模块IRIDIUM9603采用5V直流电源供电，将铱星模块IRIDIUM9603的两个电源正端口EXT_PWR均连接至图5中5V电源稳压电路的电压输出端5V。所述铱星模块IRIDIUM9603的两个电源地端口EXT_GND、三个信号地端口SIG_GND均连接至图5中5V电源稳压电路的接地端DGND_5V。所述铱星模块IRIDIUM9603的使能端口ON/OFF连接至图8中MSP430芯片的I/O端口P4.1(引脚37)，用于控制铱星模块的软上电。其中，DF_S_TX为数据发送端口，DF_S_RX为数据接收端口，铱星数据的收发通过该端口完成。

(7)Zigbee模块电路

除了卫星通讯手段，增加一组无通讯模块作为辅助手段。考虑到未来设备组网的可能性，选用Zigbee技术作为无线通讯方式。Zigbee是一种功率消耗很低的局域网通讯协议，该协议传输距离短、功率低且属于无线通讯。选用SM63A作为Zigbee通讯模块。SM63A工作电压为1.8～3.6V，工作功率较低，接收电流为18.5mA，发送电流为25mA，支持多信道通讯，自动避免信道干扰，SM63A使用频率为240MHz～930MHz，数据传输速率为1200～38400Bit/s。

如图14所示，采用3.3V直流电源为Zigbee模块供电，将Zigbee模块的电源端口VCC连接至图6中3.3V电源稳压电路的电压输出端3.3V，Zigbee模块的电源地端口GND连接至图6中3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V。Zigbee模块的使能端口ON/OFF连接第五电阻R5后，连接至图8中MSP430芯片的I/O端口P4.7(引脚43)，用于控制Zigbee模块的软上电。其中，RXD为数据接收端口，TXD为数据发送端口，Zigbee数据的收发通过该端口完成。

(8)模拟开关电路

由于MSP430F149串口资源有限，考虑到铱星模块电路和Zigbee模块电路的分时工作性，为了节省串口资源，使用模拟开关CD4066芯片对铱星模块电路和Zigbee模块电路的串口资源进行分时复用。

如图15所示，CD4066芯片的A路输入端口AI连接至图13中铱星模块的数据接收端口DF_S_RX，B路输入端口BI连接至图14中Zigbee模块的数据发送端口TXD，A路输出端口AO和B路输出端口BO均连接至图8中MSP430芯片的铱星/Zigbee数据接收端口RX_1(引脚35)。CD4066芯片的C路输入端口CI连接至图13中铱星模块的数据发送端口DF_S_TX，D路输入端口DI连接至图14中Zigbee模块的数据接收端口RXD，C路输出端口CO和D路输出端口DO均连接至图8中MSP430芯片的铱星/Zigbee数据发送端口TX_1(引脚34)。CD4066芯片的A路控制端口CA连接至图8中MSP430芯片的I/O端口P4.6(引脚42)，B路控制端口CB连接至图8中MSP430芯片的I/O端口P4.5(引脚41)，C路控制端口CC连接至图8中MSP430芯片的I/O端口P4.4(引脚40)，D路控制端口CD连接至图8中MSP430芯片的I/O端口P4.3(引脚39)，通过控制P4.3～P4.6的高低电平，从而控制CD4066A、B、C、D四路开关的通断，从而实现分时复用。CD4066芯片的电源正端口VDD连接至图6中3.3V电源稳压电路的电压输出端3.3V，电源地端口VSS连接至图6中3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V。

(9)AD电压采集电路

考虑到海洋信标机是由电池进行供电，电量监控是海洋信标机重要的一部分。本文使用INA194芯片对系统的总电压进行AD采集，采集得到的AD数值通过运算和比较，得出电池包输出的电压值，从而判断电池包电量大小。INA194芯片具有以下优点：从-16V～+80V的宽共模电压，低误差，高达500kHz的带宽，最大静态电流为900mA，满足了海洋信标机对电压的采集。

如图16所示，INA194芯片的电压检测输入端负端口VIN-和电压检测输入端正端口VIN+之间连接有第六电阻R6，电压检测输入端负端口VIN-和电源地端口GND之间连接有第七电阻R7，电压检测输入端正端口VIN+连接至图4中电池充放电保护电路的电压输出端POWER+，INA194芯片的输出端口OUT连接至图8中MSP430芯片的AD采集接口P6.6(引脚5)，电源地端口GND连接至图6中3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V，电源正端口VCC连接至图6中3.3V电源稳压电路的电压输出端3.3V。其中，所述第六电阻R6可选用1K，第七电阻R7可选用300K。INA194通过采集第六电阻R6两端的电压，在1脚输出，由MCU进行AD采集，从而获得电压值。

(10)出水监测电路。

本海洋信标机十分重要的一个功能是能够进行出水检测，当检测到海洋信标机出水后进行卫星通讯定位，否则海洋信标机会一直处于超低功耗模式，节省电量。本文选用NE555定时器构成的多谐振荡器，如图17所示，NE555定时器的放电端口DIS和电源正端口VCC连接有第八电阻R8，电源正端口VCC和复位端口RST均连接至图6中3.3V电源稳压电路的电压输出端3.3V，输出端口OUT连接第十电阻R10后连接至图8中MSP430芯片的I/O端口P4.0/TB0(引脚36)，控制电压端口CON和电源地端口GND之间连接有第二十一电容C21，出发端口TRI和电源地端口GND之间串联有第十九电容C19和第二十电容C20，放电端口DIS串联有第九电阻R9、第十七电容C17和第十八电容C18。其中，第八电阻R8和第九电阻R9并联连接，阈值电压端口THR和出发端口TRI相连接，电源地端口GND连接至图6中3.3V电源稳压电路的接地端DGND_3.3V。NET+和DGND_3.3V分别连接至海洋信标机外壳的顶部和底部并裸露在外部空气中。

具体的工作流程为系统上电后，如果海洋机在水面以下，此时NET+和DGND_3.3V短路，电源3.3V通过第九电阻R9和第八电阻R8对第十七电容C17充电，第十七电容C17通过第九电阻R9对地放电，使Uc下降。当Uc下降到一点电压后，电源通过第九电阻R9和第八电阻R8又对第十七电容C17充电，Uc再次上升，如此充放电周而复始，从而在NE555的第3脚的输出端得到连续变化的振荡脉冲波形。因此当匹配好第十七电容C17后，即可在NE555的OUT端得到连续的脉冲波形。当海洋信标机出水后，NET+与DGND_3.3V断开，电容无法进行充电，NE555定时器的输出端口OUT持续输出低电平。因此，MCU通过采集NE555的第三脚的电平状态即可判断海洋.信标机是否出水。

四、开关控制层Ⅳ

所述开关控制层Ⅳ包括与电池组层Ⅰ连接的太阳能充放电控制器，所述太阳能充放电控制器连接有LED控制电路，所述太阳能充放电控制器和5V电源稳压电路之间连接有水密旋钮开关。其中，太阳能充放电控制器主要功能是用于太阳能电池板对锂电池进行充放电时的保护

(1)太阳能充放电控制器和水密旋钮开关

本海洋信标机使用稳控科技生产的SX01多功能太阳能充放电控制器作为主控制器，该控制器采用一键式轻触开关，完成所有操作及设置。同时本控制器通过电脑芯片对锂电池的端电压、放电电流、环境温度等参数进行采样，通过专用控制模式计算，实现符合锂电池特性的放电率、温度补偿修正的高效、高准确率控制，并采用了高效PWM锂电池的充电模式，保证锂电池工作在最佳状态，大大延长了锂电池的使用寿命。本控制器应用于最大太阳能板规格18V/40W，最大负载12V/36W的输出。同时，该控制器自带防止锂电池过度充电、过度放电，支持晚间方向放电及PWM浮充保护。

如图18所示，SX01多功能太阳能充放电控制器的电池负极端口BAT-连接至图3中的电池组负极端BATTERY-，电池正极端口BAT+连接至图3中的电池组正极端BATTERY+，负载输出端1负极OUT1-、负载输出端2负极OUT2-、负载输出端3负极OUT3-和负载输出端4负极OUT4-均连接至图4中电池组保护电路输出端负极POWER-。SX01多功能太阳能充放电控制器的负载电源输出正极OUT+连接一个水密旋钮开关SWITCH，如图19所示，水密旋钮开关SWITCH的引脚1连接至图5中的POWER_LOAD。水密旋钮开关SWITCH闭合，POWER_LOAD+接通POWER_LOAD，系统上电；水密旋钮开关SWITCH断开，POWER_LOAD+断开POWER_LOAD，系统掉电，从而实现了水密旋钮开关SWITCH对整个系统的上掉电控制。

(2)LED控制电路

LED控制电路包括LED电源控制电路和LED稳流电路。如图20所示，LED电源控制电路包括三极管Q4，所述三极管Q4的基极连接第十一电阻R11后，连接至图8中MSP430芯片的端口P5.0(引脚44)。所述三极管Q4的集电极连接第十二电阻R12后，连接至图6中3.3V电源稳压电路的电压输出端3.3V。所述三极管Q4的集电极和发射极之间连接有第三N沟道MOS管Q3，所述第三N沟道MOS管Q3的G极连接至图6中接地端DGND_3.3V。

如图21所示，所述LED稳流电路包括并联连接的AMC7135，本专利中使用了2颗AMC7135并联驱动一个LED灯，并流后的电流为700mA，也可以选用3颗AMC7135，电流1A，但这样LED发热会很明显，而且多出的亮度人眼很难看出差别，并造成电能的浪费，故在此选择两颗AMC7135并联作为稳流源。每一个LED灯串联于一组AMC7135的输出端OUT和电源正极VDD之间，且每个AMC7135的电源负极均连接至图20中第三N沟道MOS管Q3的S极。

由MCU的I/O口驱动一个三极管Q4，再由三极管Q4驱动第三N沟道MOS管Q3作为电源通断的开关，从而实现控制系统对LED灯亮灭的控制。

五、天线定位层Ⅴ

天线定位层Ⅴ处于整个电路系统的次顶端，所述天线定位层Ⅴ主要集成了一些模块天线和接口，包括电源开关、铱星天线、Zigbee天线、GPS模块、出水检测开关、充电口、复位按键等。其中，GPS模块用以进行定位功能，提供时间、经纬度、海拔高度等参数；Zigbee天线和铱星天线用以加强无线通讯和铱星通讯时的信号强度，使数据传输更远更可靠。其他设备均为一些接口和开关，不再赘述。

所述电源开关连接于电池充放电保护电路和5V电源稳压电路之间,如图5中所示的S1。所述铱星天线连接至图13中铱星模块的外部天线接口ANT_EXT(ANT_IRIDIUM)，所述Zigbee天线连接至图14中Zigbee模块的外部天线接口ANT_EXT(ANT_ZIGBEE)，所述GPS模块连接至图8中MSP430芯片的GPS数据接收端RX_GPS(引脚33)，所述出水检测开关连接于图17中出水监测电路的NET+和DGND_3.3V之间，所述充电口连接于图4中电池充放电保护电路的POWER+和POWER-之间，所述复位按键与复位电路相连接，如图9中所示的K1。

六、太阳能电池板及LED层Ⅵ

太阳能电池板及LED层Ⅵ处于海洋信标机的最顶端，与天线定位层Ⅴ几乎平齐，包含两部分：太阳能电池板和LED灯。其上包含多块太阳能电池板用于收集太阳能以给锂电池充电，并集成了多颗红蓝LED爆闪灯，用于示警。太阳能电池板一共有8块，单块太阳能电池板在太阳光较强烈的照射下，能够输出5V/60mA的电压。8块电池的级联方式为4并2串，级联后能够提供10V/240mA的电压输出，太阳能电池板输出的电压作为输入连接至太阳能充放电控制器，也就是太阳能电池板连接于图18中SX01多功能太阳能充放电控制器的太阳能电池板正极SOLAR+和太阳能电池板负极SOLAR-之间，该层太阳能充放电控制器通过内部芯片调制可以以8.4V/240mA的电压给锂电池组进行充电。

同时，在该层集成了8颗3W高亮红蓝LED灯珠，如图21所示的LED(D1、D2、D3、D4等)，LED灯珠的亮灭由芯片进行控制，作为回收时的一种辅助手段，在夜晚的使用场合十分有意义。其示意图八块太阳能电池板两两一组平铺在电路板上，在电池板中间，靠近外延部分放置两颗LED红蓝警示灯。由于天线定位中的天线不能被其他物体遮挡，因此在该层电路板中间掏出一个圆形洞孔用以安置天线定位层Ⅴ的电路板。

海洋信标机除了硬件系统设计外，软件系统的设计也很重要。一个完整可靠、逻辑清晰、有序执行的算法流程则是软件系统设计的核心部分。本海洋信标机的软件设计流程如图22所示。首先通过外部的水密旋钮开关对海洋信标机进行上电操作，上电后，系统的各个功能模块启动初始化，包括IO口、定时计数器、UART串口、AD采集模块等。初始化完成后的第一步是判断海洋信标机是否在水中，通过NE555输出的脉冲经过MCU定时计数器的采集，可判断海洋信标机是否入水。如果此时设备在水中，MCU将切断所有用电设备的电源，并将除了低频振荡器以外的所有外设资源全部关闭，进入超低功耗模式。MCU通过低频振荡器进入计时操作，每隔5分钟触发一次MCU唤醒，查询并判断海洋信标机是否出水。当检测到设备出水后，打开GPS启动定位，并延时判断GPS的定位数据是否有效。如果GPS的数据一直无效，则将GPS掉电后再次启动定位，如果五分钟以内数据一直无效。则关闭GPS，并发送故障指令至岸基站。当GPS定位数据有效后，首先启动Zigbee无线模块，将当前位置的经纬度以广播的形式间隔五分钟进行发送，同时铱星模块上电，铱星启动搜星，当铱星的信号强度足够后，将当前位置的经纬度通过铱星发送到指定的岸基站。如果在铱星发送过程中，出现发送失败或者其他异常问题，则进行多次尝试。若3次尝试后仍未成功，则不再通讯，关闭铱星电源等待下次定位。如果在铱星通讯过程中，有接收到来自岸基站发来的卫星指令，海洋信标机要接收并解析出该指令，并根据指令的相关内容，响应相应操作，具体操作有回传当前电压值、修改通讯频率、开启LED灯等。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种新型海洋铱星GPS信标机，包括外壳，其特征在于，所述外壳内部由下至上依次设置有电池组层、电源控制层、电路主板层、开关控制层、天线定位层和太阳能电池板及LED层；

所述电源控制层包括依次连接的电池充放电保护电路、5V电源稳压电路和3.3V电源稳压电路，所述电池充放电保护电路与电池组层相连接；

所述电路主板层包括由3.3V电源稳压电路供电的MCU电路，所述MCU电路连接有复位电路、高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、JTAG调试接口电路、铱星模块电路、Zigbee模块电路、模拟开关电路、AD电压采集电路和出水监测电路；

所述开关控制层包括与电池组层连接的太阳能充放电控制器，所述太阳能充放电控制器连接有LED控制电路，所述太阳能充放电控制器和5V电源稳压电路之间连接有水密旋钮开关；

所述天线定位层包括连接于电池充放电保护电路和5V电源稳压电路之间的电源开关、与铱星模块电路连接的铱星天线、与Zigbee模块电路连接的Zigbee天线、与MCU电路连接的GPS模块、与出水监测电路连接的出水检测开关、与电池充放电保护电路连接的充电口、复位电路中的复位按键；

所述太阳能电池板及LED层包括与太阳能充放电控制器连接的太阳能电池板、与LED控制电路连接的LED灯。

2.根据权利要求1所述的一种新型海洋铱星GPS信标机，其特征在于，所述外壳设置为T型，包括上下连接的亚克力罩和耐磨壳体，所述耐磨壳体设置为圆筒形。

3.根据权利要求1所述的一种新型海洋铱星GPS信标机，其特征在于，所述电池组层和电源控制层之间、电源控制层和电路主板层之间、电路主板层和开关控制层之间均采用铜柱结构和电气接插件的方式进行连接；所述开关控制层和天线定位层之间采用铜柱结构进行连接，所述天线定位层和太阳能电池板及LED层之间采用铜柱结构进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型海洋铱星GPS信标机，其特征在于，所述复位电路、JTAG调试接口电路、Zigbee模块电路、模拟开关电路和AD电压采集电路均由3.3V电源稳压电路供电，所述铱星模块电路由5V电源稳压电路供电。