CN110762455B - 基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器，包括：灯器底座，其顶部安装光源安装底座，两层圆周光源阵列安装在光源安装底座上，每层圆周光源阵列外圆周设一个环形透镜，光源上盖安装在上层圆周光源阵列和环形透镜上方；灯器透明罩，其位于灯器底座上方且与灯器底座连接；控制系统，其包括安装在光源上盖顶部和灯器透明罩之间的电路板核心板、电路板底板和通信天线板，电路板底板上设有与电路板核心板连接的通信天线板接口、外部数据接口、LED驱动板、电源模块和模拟量采集单元。本发明的多功能航标灯器除有导航警示和遥测遥控功能外，还可将标体上的水文气象传感器接入灯器，将水文气象数据使用物联网或北斗短报文发送至岸基系统。

Description

基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器
技术领域
本发明涉及航标器技术领域，具体而言，涉及一种基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器。
背景技术
我国是一个沿海贸易大国，海上交通已经成为关乎国家经济发展和安全战略全局的重要通道。智能航运是海上交通发展的新方向，为适应智能航运的发展，多功能航标灯是发展的新方向。目前的航标灯仅仅用于航道导航和船舶通行警告，无法实现水文气象信息的接入，无法为用户提供水文气象信息，导致大型港口和重要水道潮汐、潮流、能见度等信息缺乏。另外，现有航标灯无法实现多航标灯的各传感器工作状态集中监控，导致信息无法共享，当传感器出现故障时，难以优先保障航标灯导航和遥控遥测功能。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器，除了具备导航警示和遥测遥控功能外，还可将航标标体上的水文气象传感器接入灯器，将传感器采集的水文气象数据，使用物联网或者北斗短报文发送至岸基系统，为用户提供实时的水文气象信息，同时可以实现对多功能航标灯器上装载的传感器状态监控。
本发明提供了一种基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器，包括：
灯器底座，其顶部安装有光源安装底座，两层圆周光源阵列安装在所述光源安装底座上，每层所述圆周光源阵列外圆周设置一个环形透镜，光源上盖安装在上层圆周光源阵列和环形透镜的上方并将两者遮盖，所述环形透镜与所述圆周光源阵列同心设置；
灯器透明罩，其为中空结构且采用透光材料制作，所述灯器透明罩位于所述灯器底座上方且与所述灯器底座密封连接；
控制系统，其包括安装在所述光源上盖顶部和所述灯器透明罩之间的电路板核心板、电路板底板和通信天线板，所述电路板底板上设置有与所述电路板核心板连接的通信天线板接口、外部数据接口、LED驱动板、电源模块和模拟量采集单元，所述模拟量采集单元采集所述多功能航标灯器的工作状态信息，所述通信单元用于所述多功能航标灯器与服务器之间的通信，所述通信天线板接口用于连接所述通信天线板和所述电路板核心板，实现所述多功能航标灯器与岸基控制系统定位信息及辅助信息，所述外部数据接口用于所述多功能航标灯器与水文气象信息采集系统之间的信息传输，所述电源模块提供电源，所述电路板核心板将采集到的各项信息进行处理并控制所述LED驱动板驱动点亮所述圆周光源阵列，并将所述多功能航标灯器的当前信息发送至航标运行信息监控系统。
作为本发明进一步的改进，所述圆周光源阵列包括圆环光源电路板及焊接在所述圆环光源电路板上且沿圆周均布的32个LED光源。
作为本发明进一步的改进，所述电路板核心板上设有六个串口、一个USB接口、三个电子开关以及电源输入口，所述通信天线板包括北斗通信天线板以及物联网通信天线板，所述北斗通信天线板上设置有北斗通信模块和GPS通信模块，所述物联网通信天线板上设置有物联网通信模块和GPS通信模块，所述物联网通信天线板、所述北斗通信天线板和所述LED驱动板分别通过一个串口与所述电路板核心板连接，剩余两个串口作为外部数据接口，用于与水文传感器和气象传感器连接，所述电源模块与所述电源输入口连接。
作为本发明进一步的改进，所述灯器底座底部开设有四个条形安装孔，所述灯器底座上设置电缆进线孔，所述电缆进线孔内壁设置为螺纹密封面。
作为本发明进一步的改进，所述光源安装底座外缘沿圆周方向安装有密封圈槽，所述灯器透明罩通过所述密封圈槽与所述灯器底座密封连接。
作为本发明进一步的改进，所述密封圈槽内放置O型密封圈。
作为本发明进一步的改进，所述灯器底座底部底面安装有透气阀安装孔、前调整支腿安装孔及多根底部加强筋。
作为本发明进一步的改进，所述灯器透明罩顶部安装有防鸟针，所述灯器透明罩中部的透射光线部分为斜面，所述灯器透明罩底部为与所述光源安装底座匹配安装的底部安装部分，所述底部安装部分底面为密封面。
作为本发明进一步的改进，所述光源安装底座采用铝合金材料制作，所述光源安装底座中间为光源安装位置，所述圆周光源阵列安装在所述光源安装位置上，所述光源安装位置外圆周为透镜安装位置，所述环形透镜安装在所述透镜安装位置上，所述透镜安装位置外圆周的圆周面上设置多个安装孔，所述光源安装底座通过所述安装孔安装在所述灯器底座上。
作为本发明进一步的改进，所述光源上盖外圆周的圆周面上设置有多个通信电路板安装孔，所述电路板底板和所述通信天线板通过所述通信电路板安装孔安装在所述光源上盖上，所述光源上盖顶部中部的内凹结构为避让通信电路板空间，所述光源上盖底部中部为所述光源安装位置的预留空间，所述光源上盖底部外圆周为所述透镜安装位置的预留空间。
本发明的有益效果为：
1、本发明的多功能航标灯器具有普通航标灯的导航和警示功能；
2、本发明的多功能航标灯器具有航标遥测遥控功能，能实现多航标灯器上各传感器的工作状态，实现对多功能航标器上装载的传感器状态监控；
3、本发明的多功能航标灯器能将航标上的能见度分析仪、风速仪、多普勒流速计、水质剖面仪等传感器采集的能见度、风速、风向、流速、流向、水温、盐度等水文气象数据通过通信接口接入航标灯器；
4、本发明的多功能航标灯器能将压缩后的水文气象数据通过物联网或者北斗短报文发送至岸基系统，在岸基系统接收水文气象数据并解压后，在服务器上分类储存，通过数据交换接口为其他系统提供多种方式的数据服务；
5、本发明的多功能航标灯器当传感器出现故障时，不影响航标灯器和遥控遥测功能，当航标灯器电池电量不足时，可以优先保证航标灯器导航和遥控遥测功能；
6、本发明的多功能航标灯器采用北斗及物联网双通信，相互弥补各自的缺点，航标灯器自动切换通信方式，确保航标灯器通信的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器的结构示意图；
图2为图1的剖视图；
图3为图2的部分示意图；
图4为图1中灯器底座的结构示意图；
图5为图1中灯器底座的底面结构示意图；
图6为图1中灯器透明罩的结构示意图；
图7为图1中灯器透明罩的底面结构示意图；
图8为图2中光源安装底座的结构示意图；
图9为图2中光源上盖的顶面结构示意图；
图10为图2中光源上盖的底面结构示意图；
图11为图2中圆周光源阵列的示意图；
图12为图2中环形透镜的示意图；
图13为LED光源的光通量和电流之间的关系曲线；
图14为本发明实施例所述的一种基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器的控制系统的功能框图；
图15为图14中电路板核心板的具体连接示意图；
图16为图14中LED驱动板的电路示意图；
图17为图14中电源模块的电路示意图；
图18为图14中模拟量采集单元的模拟电源隔离电路示意图；
图19为图14中模拟量采集单元的防电压尖峰电路示意图。
图中，
1、灯器底座；2、灯器透明罩；3、光源安装底座；4、圆周光源阵列；5、光源上盖；6、条形安装孔；7、电缆进线孔；8、密封圈槽；9、透气阀安装孔；10、前调整支腿安装孔；11、底部加强筋；12、防鸟针；13、透射光线部分；14、底部安装部分；15、密封面；16、光源安装位置；17、透镜安装位置；18、安装孔；19、通信电路板安装孔；20、避让通信电路板空间；21、环形透镜。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明的多功能航标灯器，一方面需要保证光源位于透镜焦距上，能够将光源发出的光按照设计光路散射出去，另一方面需要安装控制系统，支持物联网及北斗短报文通信，再一方面需要预留外部接口接入航标标体上安装的各个传感器。如图1所示，本发明实施例的一种基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器，包括：灯器底座1、灯器透明罩2和控制系统，灯器底座1用于安装灯器以及内部下部预留出空间安装扩展电路板，灯器透明罩2内部安装光源及控制系统的电路板。
如图2和3所示，灯器底座1的顶部安装有光源安装底座3，两层圆周光源阵列4安装在光源安装底座3上，每层圆周光源阵列4外圆周设置一个环形透镜21，光源上盖5安装在上层圆周光源阵列4和环形透镜21的上方并将两者遮盖，环形透镜21与圆周光源阵列4同心设置。
灯器底座1采用工程塑料，可以保证耐候性，在保证强度和刚度的同时，还可以实现复杂成型。
进一步的，如图4所示，为了便于航标灯器的安装，与浮标标体的安装孔保持一致，在灯器底座1底部开设有四个条形安装孔6。更进一步的，考虑到浮标标体为焊接件，安装孔尺寸精度较低，因此将条形安装孔6设计为条形安装孔，能够保证浮标安装孔尺寸有偏差时仍然能够进行安装施工。
进一步的，如图4所示，为了便于航标灯器的密封，光源安装底座和灯器透明罩2之间需要密封，在光源安装底座3外缘沿圆周方向安装有密封圈槽8，灯器透明罩2通过密封圈槽8与灯器底座1密封连接。更进一步的，为了便于密封设计标准化，密封采用O型圈密封的方式，在密封圈槽8内放置O型密封圈。
进一步的，如图4所示，航标灯器内部还需要放置控制系统实现与外部之间的通信与供电，因此在灯器底座1上设置电缆进线孔7，以保证电缆进入航标灯器内部。更进一步的，电缆进线孔7内壁设置为螺纹密封面，可以实现电缆卡方便安装及密封。
进一步的，如图5所示，由于航标灯器重心高且使用工况复杂，经常存在摇摆受力的情况，因此灯器底座要求较高的强度，在灯器底座1底部底面设计多根底部加强筋11，以保证各个方向的强度。更进一步的，航标灯器会随标体一起摇动，会出现海水飞溅到灯器上的情况，或者下雨后水会积攒在灯器底座安装面上，因此在底部加强筋上设计流水槽，使得安装面上的积水可以轻松流出，防止积水对航标灯器产生持续破坏。
进一步的，如图5所示，由于航标灯器安装在海上，环境温度变化会使航标灯器内外产生压力差，同时，航标灯器工作时内部温度升高，也会使航标灯器内外产生压力差，因此，在灯器底座1底部底面安装有透气阀安装孔9，保证内外气压一致，避免航标灯器爆裂等内外压差产生的破坏。
如图5所示，灯器底座1底部底面安装前调整支腿安装孔10，用于与浮标标体进行适配安装。
光源安装底座3用于安装航标灯器的光源，保证光源位于透镜焦点上，同时实现光源部分在光源安装底座3上的固定。由于光源安装底座3需要实现安装固定功能，需要较高的强度，同时由于光源部分在航标灯器中安装位置较高，较重的产品会对光源安装底座3提出更高的强度要求。另外，由于光源安装底座3需要保证光源和透镜的相对位置，并且需要较高的精度(包括尺寸精度和同心度)，注塑方式难以实现，因此，光源安装底座3采用铝合金材料制作。
进一步的，如图8所示，光源安装底座3中间为光源安装位置16，圆周光源阵列4安装在光源安装位置16上，光源安装位置16需要避让LED光源的焊脚。光源安装位置16外圆周为透镜安装位置17，环形透镜21安装在透镜安装位置17上，且环形透镜21需要保证和圆周光源阵列4同心设置才能确保光学部分的正常运行，因此透镜需要采用内圈精密定位。
进一步的，如图8所示，透镜安装位置17外圆周的圆周面上设置多个安装孔18，光源安装底座3通过安装孔18安装在灯器底座1上。四个安装孔18在设计时，需要防止螺栓头部与环形透镜21干涉，同时防止螺栓头部遮挡光线。
光源上盖5用于安装光源部分，保证光源位于环形透镜焦点上，同时实现与光源安装底座3之间的固定。由于在航标灯器的整体结构中，光源部分被罩在灯器透明罩2中，而控制系统需要安装在航标灯器最顶端且需保证正上方没有金属物遮挡，因此在光源上盖5上方安装控制系统时，需要预留出电路板底板、电路板核心板和通信天线板的安装位置，通过安装孔处安装铜柱，支撑整个电路板底板。电路板底板上方需要安装通信天线板，因此电路板底板的供电及信号传输器件均需焊接在底面上，且电容等功能器件也需焊接在底面防止太阳直射致使功能老化，因此应尽量降低电路板底板安装高度，利于降低整个航标灯器整体高度，同时也降低航标灯器重心，防止航标灯器底部安装位置承受较大的倾覆力矩。
进一步的，如图9所示，光源上盖5外圆周的圆周面上设置有多个通信电路板安装孔19，电路板底板和通信天线板通过通信电路板安装孔19安装在光源上盖5上，光源上盖5顶部中部的内凹结构为避让通信电路板空间20，光源上盖5底部中部为光源安装位置16的预留空间，光源上盖5底部外圆周为透镜安装位置17的预留空间。
进一步的，如图11所示，圆周光源阵列4包括圆环光源电路板及焊接在圆环光源电路板上且沿圆周均布的32个LED光源。LED光源的电光转换效率高、使用寿命长，优选的，选用Cree 5mm Round系列LED，圆周光源阵列4采用环形阵列LED光源，配合环形透镜，形成垂直发散角≥7°的环形光束，可以实现航标灯器圆周方向上360°发光。
进一步的，透镜是实现光发散和光强均布的核心部件，环形透镜21选用圆周连续焦点菲涅尔透镜或者中心焦点圆周菲涅尔透镜，前者垂直发散角≥7°，后者垂直发散角≥8°。由于采用环形阵列LED光源，优选的，如图12所示，环形透镜21选用圆周连续焦点菲涅尔透镜。由于航标灯器的工作环境恶劣，选用该透镜耐候性好，强度高，采用高透光率的光学级聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，透光率≥95％。
本发明采用的光源在圆周方向上设计32个LED光源，增加了航标灯器光源光强，经环形透镜折射后，能堆叠得到所需的光强。两组32个Cree 5mm Round系列LED光源，配合两个360°圆周连续焦点菲涅尔透镜，完成光路转换，LED的焦点与透镜焦点重叠，LED发出的光，通过LED的灯珠透镜折射后再折射到圆周连续焦点菲涅尔透镜上，光线经过两次折射后形成光束，发散角≈7.5～8.6°，满足发散角≥7°的要求。
LED光源的发光规律满足朗伯余弦定律，光强计算公式为：I＝Imax cosθ，-π/2≤θ≤π/2，本发明的透镜为自由曲面侧发光，光线从透镜侧边射出，光利用率达η＝90％，LED光源的光通量为Φ。点光源在某一方向，在元立体角dΩ内发出的光通量为dΦ，则该点光源在该方向上的发光强度为I＝dΦ/dΩ，Ω为立体角。航标灯器虽然有一定体积，但与投射距离相比，可以看作点光源，在一个小立体角内光通量近似均匀分布，有效发光强度换算为I＝Φ/Ω，因此，可见发光强度与光通量成正比，与立体角成反比。在一定光通量前提下，要求灯光射程远，必要要求航标灯器光束的立体角小。对于航标灯器360°均匀侧发光，发光角度为2.5°(50％Imax)，总光束角度为30°，角度换算成立体角后为Ω＝2π(1-cos30°/2)＝0.2134，而LED的光通量和电流曲线如图13所示，所以当采用一层圆周光源阵列4时，光源功率为1.5W，LED光源光通量为8.061m；当采用二层圆周光源阵列4时，光源功率为3W，LED光源光通量为16.121m。考虑透镜的透光率η＝90％，在采用一层圆周光源阵列4时，得到航标灯器的定光光强为Iave＝Φ/Ω＝8.06*0.9/0.2134＝34cd。航标灯器的射程与有效光强有关，光强的有效值为Irms＝Iave×0.714＝24.28，大气透射系数为0.714，查询JT7007-93航标灯光射程表可知，光束射程为3.4海里。对应采用1-4层的圆周光源阵列计算出的有效光强射程如表1所示。
表1有效光强射程表
发光层数 输入功率(W) 光束有效光强(cd) 灯光射程(n mile)
1 1.5 24.28 3.4
2 3 48.56 4.3
3 4.5 72.84 4.9
4 6 97.12 5.3
灯器透明罩2一方面作为航标灯器内部圆周光源阵列4等部件的前部密封件，另一方面还需要实现自身与灯器底座1之间的安装。灯器透明罩2采用高透光的工程塑料制作，由于光线通过灯器透明罩2会存在光线损失，损失越多，就需要更过的光照度才能达到相同的射程，因此选用投射率为92％的聚碳酸酯材料作为灯器透明罩2的材料，在保证高透光率的同时，还能保证灯器透明罩2的强度及耐候性，保证航标灯器能够长期在恶劣环境中使用。灯器透明罩2位于灯器底座1上方且与灯器底座1密封连接，灯器透明罩2为中空结构，为发光部件预留出空间。
进一步的，如图6所示，灯器透明罩2中部的透射光线部分13为斜面，在保证注塑成型拔模的同时，斜面结构也不易在灯器透明罩2侧面形成积水，防止光线损失。其中，透射光线部分13需要进行光学级抛光处理，才能减少光线在灯器透明罩2侧面的折射，达到较高的透光率。
进一步的，如图6所示，由于航标灯器安装在海上，容易有海鸟落足，长时间容易产生鸟类排泄物及其他脏污，遮挡航标灯器的发光区域，限制航标灯器的导航功能，因此在灯器透明罩2顶部安装有防鸟针12。
进一步的，如图7所示，灯器透明罩2底部为与光源安装底座3匹配安装的底部安装部分14，底部安装部分14底面为密封面15。灯器透明罩2与灯器底座1之间的密封采用O型圈完成密封，由于在灯器底座1上设计了密封圈槽8，因此需要在灯器透明罩2的对应部位设计平面也即密封面15，来实现压紧O型密封圈，进而实现灯器透明罩2与灯器底座1之间的密封。
航标灯器的控制系统包括安装在光源上盖5顶部和灯器透明罩2之间的电路板核心板、电路板底板和通信天线板，电路板核心板负责处理、运算、协调各外部接口，完成航标灯器的软件功能，电路板底板安装各种外设部件及保护电路等，实现各种对外接口。通信天线板包括北斗通信天线板以及物联网通信天线板，北斗通信天线板上设置有北斗通信模块和GPS通信模块，物联网通信天线板上设置有物联网通信模块和GPS通信模块，分别实现北斗短报文通信以及物联网通信的信息收发以及GPS定位功能。航标灯器在物联网通信正常情况下使用物联网通信，否则使用北斗短报文进行。电路板核心板采集控制各个外部功能模块实现数据采集和灯光控制等功能，同时采集的水文气象信息处理后，将水文气象信息数据处理打包后，发送至岸基系统。如图14所示，电路板底板上设置有与电路板核心板连接的通信天线板接口、外部数据接口、LED驱动板、电源模块和模拟量采集单元，模拟量采集单元采集多功能航标灯器的工作状态信息，通信天线板接口用于连接通讯通信天线板和电路板核心板，实现多功能航标灯器与岸基控制系统定位信息及辅助信息的传输，外部数据接口用于多功能航标灯器与水文气象信息采集系统之间的信息传输，电源模块提供电源，电路板核心板将采集到的各项信息进行处理并控制LED驱动板驱动点亮圆周光源阵列4，并将多功能航标灯器的当前信息发送至航标运行信息监控系统。
如图15所示，电路板核心板上设有六个串口、一个USB接口、三个电子开关以及电源输入口。控制系统采用模块化的设计，物联网通信天线板、北斗通信天线板和LED驱动板分别采用独立PCB设计，GPS通信模块集成于物联网通信天线板和北斗通信天线板。电路板核心板集成CPU、电子开关及外部连接串口。
物联网通信天线板、北斗通信天线板和LED驱动板分别通过一个串口与电路板核心板连接，实现信息交互及控制。电路板核心板预留两个串口，分别为RS232和RS485，作为外部数据接口，用于与水文传感器和气象传感器连接。航标灯器具有水文气象信息采集能力，水文传感器和气象传感器将采集的水文信息以及气象信息通过数据串口传送至灯器。
优选的，电路板核心板采用STM32F407作为CPU，完成整个航标灯器的所有控制，包括航标灯器开关灯控制、输出功率调整、各种数据的处理、通信管理及遥测遥控等。
优选的，物联网通信模块和北斗通信模块分别选用移远通信的BC-95物联网模块和北斗星通的UBD-2630北斗模块。UBD-2630北斗模块集成了RDSS收发芯片、基带芯片、PA电路及LNA电路，通过外接SIM卡及无源天线即可实现北斗短报文通信功能和定位功能。低噪声放大电路可对RX端口输入的射频信号进行放大，无需外置LNA及滤波器，直接通过RX端口连接无源天线接收RDSS信号，功放电路可提供5W的发射功率，基带芯片支持北斗4.0或2.1协议。UBD-2630北斗模块采用邮票孔的表贴封装，尺寸小、集成度高、功耗低，非常适用于航标灯器的电路板。BC-95物联网模块的尺寸小、功耗低，可提供完善的短信和数据传输服务，能兼容M35模块，方便用户进行后续产品设计和升级。
GPS通信模块不但可以接收位置信息，还可以获取高精度PPS同步时钟信号，航标灯器利用该信号可实现同光同步闪功能。优选的，GPS通信模块选用u-blox的MAX-7系列Max-7Q GPS模块，该模块具备最佳的性能及最低的功耗，采用天线和基带一体化设计，减少了中间环节，增加了稳定性。
本发明的航标灯器还能采集水文气象信息，水文气象信息通过水文信息采集系统采集，水文信息采集系统主要包括风速仪、能见度分析仪、水质剖面仪、多普勒流速计、信息处理系统及供电系统。外部数据接口采用RS232和RS485，水文信息采集系统将处理后的水文气象信息通过外部数据接口发送给航标灯器的控制系统，控制系统将数据打包处理后，经通信模块发送至岸基系统。水文气象传感器使用Modbus协议与航标灯器的控制系统进行信息交互。
LED是2～3V低电压驱动，为满足航标灯器的射程要求，如果串联所有LED需要LED驱动器输出很高的电压，如果并联LED则需要LED驱动器输出很高的电流，将所有LED串联或并联，不但限制LED的使用量，且驱动成本增加。因此，本发明采用LED光源混连，采用4颗8串LED灯珠混连，这样每一个LED串联支路电压相同，同一串联支路中每一个LED电流相同，灯珠亮度一致，且每个串联支路的电流也接近。优选的，LED驱动板采用LM3429高驱动电流降压型恒流驱动集成电路，内部集成2.0A MOSFET驱动管，输入电压6～42V，最大电流1.7A，具有PWM调光功能，利用该电路配合外围电路便可构成高效率、保护完善的LED驱动电路。如图16所示，由外部输入9～36V直流电压，经LM3429降压、恒流后输出，供LED使用。利用LM3429的DIM和RON端口控制输入，可实现PWM输出功率调节和发光的休眠控制。将LM3429的RON和DIM端口分别连接至ARM处理器的灯质控制口和PWM功率调节输出口，完成灯质和功率控制的功能。
控制系统的电源模块与电源输入口连接，优选的，电源模块采用LM22680-ADJ降压开关型可调集成稳压电路，可提供3A电流输出，内涵变频震荡器，并具有完善保护电路，可提供高效稳压电路，从而保证CPU和通信模块的稳定可靠工作。如图17所示，外部输入9～36V直流电压，经过LM22680-ADJ降压后输出4.2V电压供通信模块和GPS模块使用，4.2V电压经过LP2985模拟降压器，将4.2V电压降压至3.3V供CPU使用。
对于模拟量采集单元，由于STM32F407具有两路12位的ADC，是一种逐次逼近型模拟数字转换器，有多达18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。在ADC电源设计时，如图18和19所示，将模拟部分和数字部分的供电用电感隔开，并在LDO的输出点并联一个电阻以提供一个恒定的最小负载，避免LDO上瞬间产生电压尖峰，对器件进行保护。
本发明由STM32F407编程实现灯质控制、功率控制、模拟量采集(电压、电流、环境光等)、GPS信息的接收处理、GPRS网络注册、建立连接、接收、发送数据、水文气象数据采集、整理等功能。通过电压、电流、环境光采集判断航标灯器当前的工作状态，根据当前的工作状态输出灯质，驱动LED光源发出与灯质相应的闪光节奏，通过GSM网络发送当前的位置和电压、电流等信息至航标运行信息监控系统。软件在设计时，主要包括模拟量采集、灯光开关控制、GPS信息采集、同步闪控制、水文气象信息采集和远程通信等功能，航标灯器上电后通过不断采集模拟量和水文气象信息的状态和数值，经换算处理后，保存在本地，并控制灯光的开关，同时通过串口发送至通信单元，通信单元自动选择NB-IOT(即物联网)或北斗通信方式将数据发送到监控中心，监控中心获取到数据后，保存在数据库中。
物联网通信模块通过物联网，实现航标灯器与航标运行信息系统的通信及控制、信息更新等。北斗通信模块通过北斗卫星的通信链路，实现航标灯器与航标运行信息系统的通信及控制、信息更新等。当有数据发送时，CPU通过串口按照北斗通信协议向北斗通信模块提交数据发送申请，数据发送成功后，CPU收到北斗通信模块确认信息，数据发送成功；接收数据时，由北斗通信模块通知CPU有新信息需要处理，CPU按照通信协议，接收北斗通信模块的数据，并通知北斗通信模块数据接收完成。
本发明的航标灯器具有物联网和北斗双通信切换功能，由于物联网可以使众多航标灯器实现互联互通，且覆盖广、速率低、成本低、功耗少、架构优，而北斗通信适合所处位置较为偏僻的航标灯器通信使用，不适合作为航标灯器的主要通信方式，因此控制系统默认使用物联网进行通信，若NB-IOT接入成功则使用NB-IOT进行通信，否则开启北斗通信模块进行通信。通信接入成功后，航标灯器的信息通过报文形式发送至岸基系统。本发明采用北斗及物联网双通信，相互弥补各自的缺点，航标灯器自动切换通信方式，确保航标灯器通信的可靠性。
航标灯器在传输数据时，需要将采集到的数据按照一定规则编码，再将数据交给通信模块加工成符合要求的编码格式数据报文，最终通过网络再传输至后台服务器，后台服务器将数据解码后用直观的图文方式展示给用户。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网和北斗短报文的多功能航标灯器，其特征在于，包括：
灯器底座(1)，其顶部安装有光源安装底座(3)，两层圆周光源阵列(4)安装在所述光源安装底座(3)上，所述圆周光源阵列(4)采用4颗8串LED灯珠混连，每层所述圆周光源阵列(4)外圆周设置一个环形透镜(21)，光源上盖(5)安装在上层圆周光源阵列(4)和环形透镜(21)的上方并将两者遮盖，所述环形透镜(21)与所述圆周光源阵列(4)同心设置，所述圆周光源阵列(4)采用环形阵列LED光源，所述环形透镜(21)选用圆周连续焦点菲涅尔透镜，形成垂直发散角≥7°的环形光束；
灯器透明罩(2)，其为中空结构且采用投射率为92％的聚碳酸酯材料制作，所述灯器透明罩(2)位于所述灯器底座(1)上方且与所述灯器底座(1)密封连接；
控制系统，其包括安装在所述光源上盖(5)顶部和所述灯器透明罩(2)之间的电路板核心板、电路板底板和通信天线板，所述电路板底板上设置有与所述电路板核心板连接的通信天线板接口、外部数据接口、LED驱动板、电源模块和模拟量采集单元，所述模拟量采集单元采集所述多功能航标灯器的工作状态信息，所述通信天线板接口用于连接所述通信天线板和所述电路板核心板，实现所述多功能航标灯器与岸基控制系统定位信息及辅助信息的传输，所述外部数据接口用于所述多功能航标灯器与水文气象信息采集系统之间的信息传输，所述电源模块提供电源，所述电路板核心板将采集到的各项信息进行处理并控制所述LED驱动板驱动点亮所述圆周光源阵列(4)，并将所述多功能航标灯器的当前信息发送至航标运行信息监控系统，所述通信天线板包括北斗通信天线板以及物联网通信天线板，所述北斗通信天线板上设置有北斗通信模块和GPS通信模块，所述物联网通信天线板上设置有物联网通信模块和GPS通信模块，分别实现北斗短报文通信以及物联网通信的信息收发以及GPS定位功能，航标灯器在物联网通信正常情况下使用物联网通信，否则使用北斗短报文进行通信。
2.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述圆周光源阵列(4)包括圆环光源电路板及焊接在所述圆环光源电路板上且沿圆周均布的32个LED光源。
3.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述电路板核心板上设有六个串口、一个USB接口、三个电子开关以及电源输入口，所述物联网通信天线板、所述北斗通信天线板和所述LED驱动板分别通过一个串口与所述电路板核心板连接，剩余两个串口作为外部数据接口，用于与水文传感器和气象传感器连接，所述电源模块与所述电源输入口连接。
4.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述灯器底座(1)底部开设有四个条形安装孔(6)，所述灯器底座(1)上设置电缆进线孔(7)，所述电缆进线孔(7)内壁设置为螺纹密封面。
5.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述光源安装底座(3)外缘沿圆周方向安装有密封圈槽(8)，所述灯器透明罩(2)通过所述密封圈槽(8)与所述灯器底座(1)密封连接。
6.根据权利要求5所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述密封圈槽(8)内放置O型密封圈。
7.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述灯器底座(1)底部底面安装有透气阀安装孔(9)、前调整支腿安装孔(10)及多根底部加强筋(11)。
8.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述灯器透明罩(2)顶部安装有防鸟针(12)，所述灯器透明罩(2)中部的透射光线部分(13)为斜面，所述灯器透明罩(2)底部为与所述光源安装底座(3)匹配安装的底部安装部分(14)，所述底部安装部分(14)底面为密封面(15)。
9.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述光源安装底座(3)采用铝合金材料制作，所述光源安装底座(3)中间为光源安装位置(16)，所述圆周光源阵列(4)安装在所述光源安装位置(16)上，所述光源安装位置(16)外圆周为透镜安装位置(17)，所述环形透镜(21)安装在所述透镜安装位置(17)上，所述透镜安装位置(17)外圆周的圆周面上设置多个安装孔(18)，所述光源安装底座(3)通过所述安装孔(18)安装在所述灯器底座(1)上。
10.根据权利要求1所述的多功能航标灯器，其特征在于，所述光源上盖(5)外圆周的圆周面上设置有多个通信电路板安装孔(19)，所述电路板底板和所述通信天线板通过所述通信电路板安装孔(19)安装在所述光源上盖(5)上，所述光源上盖(5)顶部中部的内凹结构为避让通信电路板空间(20)，所述光源上盖(5)底部中部为光源安装位置(16)的预留空间，所述光源上盖(5)底部外圆周为透镜安装位置(17)的预留空间。
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