中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 湖北宜昌 443003
摘要：本文介绍了一种基于STM32系列芯片的短信报警装置，其内嵌于报警浮标中。当报警浮标被释放并上浮至水面后，其内置的短信报警装置可给设定的用户发送浮标位置信息，便于水下平台的打捞回收。
关键词：STM32；报警浮标；短信报警；水下平台
0.引言
海洋是生命的起源，蕴含着无数的宝藏和资源，合理利用海洋，开发海洋对我们的经济发展和社会进步有重要的影响，同时海洋引起的各种自然灾害对社会的发展和人类的生活也造成了巨大的影响[1-3]，我国的海洋灾害情况比较严重，受到海洋污染、赤潮以及台风、风暴潮等影响，我们迫切需要加强对海洋环境的监测和研究[4]。海洋环境监测仪器可以挂载在潜标等水下平台上来执行监测海洋环境的任务，在水下平台完成使命任务或出现意外状况时需要及时打捞平台，避免平台受损以及测量数据丢失。报警浮标挂载于水下平台上，当水下平台受困时释放报警浮标，当浮标上浮至水面，可通过短信报警装置来给用户发送浮标位置等信息，便于水下平台的打捞回收。
1.系统组成与主要功能
短信报警装置由控制电路板、GPS天线和CDMA天线组成，控制电路板主要由CPU及外围接口电路、GPS模块、语音通讯模块、电源电路、UIM卡座等组成，装置放置于报警浮标内部，与浮标控制系统共用电池和压力传感器。控制电路板组成框图见图1：
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图1 控制电路板组成框图
CPU选用的高性能、低功耗的嵌入式专业级芯片STM32F103VCT6，外部时钟为8MHz时，运行模式下最大电流消耗11mA，待机模式下典型消耗电流3.8uA，是32位市场上功耗最低的产品。芯片具备80路I/O通道，可灵活配置成16路12bitA/D采集通道，5路RS232接口，2路I2C接口。
短信报警装置主要完成以下功能：
1）通过压力传感器判断报警浮标是否浮出水面；
2）判断报警浮标浮出水面后，接收GPS定位信息；
3）按照预置的时间间隔，向预置的两个电话号码发送报警短信；短信内容包括报警浮标编号、时间、经度、纬度、航速、航向；
4）可通过串口预置报警标编号、两个接收报警短信的电话号码及发送短信的时间间隔；
5）可通过短信远程预置报警标编号、两个接收报警短信的电话号码及发送短信的时间间隔。
2.工作流程
短信报警装置在水下工作时大部分时间处在待机状态，此状态下GPS模块和语音通讯模块电源断开，在浮标每3小时采样压力传感器信号时会通过IO管脚唤醒系统，系统唤醒后采样压力信号，判断浮标是否浮出水面，如果未浮出水面进入待机状态，如果进入浮标浮出水面，则进入水面工作模式。系统工作流程图见图2。
水面工作模式下的主要任务是获取GPS模块的位置信息并通过语音通讯模块发送给指定用户。进入水面工作模式时，首先是接通GPS模块和语音通讯模块电源，然后等待两个模块搜索到信号，然后通过语音通讯模块向指定号码以短信方式报警，并告知浮标的位置。为了降低功耗，在完成一次信息发送后系统进入待机状态，等待RTC时钟唤醒系统。
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图2系统工作流程图
3.软件设计
软件采用C语言开发，开发平台为Keil。软件采用模块化设计，除了main函数所在的主模块以外，还有以下功能模块：ADC模块、初始化模块、EEPROM模块、GPS模块、MC323模块、定时器模块和串口通信模块。由于ST公司提供了访问芯片外围设备的固件库，利用该固件库可以通过C语言接口控制IO、时钟以及其它外围设备。各模块与固件库的调用关系见图3。
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图3软件模块关系图
（1）主模块为main函数所在的模块，主要通过调用各模块的接口来完成工作任务。
（2）初始化模块是系统时钟初始化、GPIO配置、系统中断管理、看门狗配置等函数的集合。
（3）EEPROM模块是对EEPROM读写操作的封装，主模块只需要访问对应接口即可完成EEPROM的读写。
（4）GPS通信模块是与GPS模块相关功能的封装，包括上电控制、数据接收、协议解析等。GPS模块采用间断供电模式，在水下，GPS模块断电；浮出水面后，按预置的时间间隔上电，向单片机发送数据，待单片机通过语音通讯模块发送数据完成后断开供电。GPS模块的通信接口为全双工串行TTL接口，通讯协议为NMEA-0183。
（5）MC323通信模块是与语音通讯模块相关功能的封装，语音通讯模块采用华为公司的MC323-aCDMA20001XM2M模块，结合AT指令集通过单片机控制实现电话、短信、数据等传输功能。语音通讯模块采用间断供电模式，在水下，语音通讯模块断电；浮出水面后，按预置的时间间隔上电，发送数据，发送完成后断开供电。
（6）定时器模块是定时器相关函数的封装。
（7）串口通信模块是对串口相关操作的封装，包括串口初始化，数据发送，串口中断处理等函数。
4.低功耗设计
由于短信报警装置靠电池供电，且需要长时间在水下及水面工作，因此对短信报警装置的功耗提出了较高要求。本方案中一方面在硬件选型上选择了低功耗的设备，例如高效能、低功耗的智能卫星接收模组和低功耗的语音通讯模块等，另一方面在软件层面采用多种方式降低功耗：
（1）水下工作时通常是单片机通常处于待机状态，功耗极低；
（2）水面工作时利用RTC时钟定时工作，其余时间也处于待机状态；
（3）水面工作搜素GPS卫星及移动网络信号时，均设置了超时保护，可避免处于信号不好的位置时，持续等待信号造成功耗过大。通过超时保护，单片机可进入待机状态，等待下一次唤醒。
（4）严格控制外围模块的上电时间，例如GPS模块与语音通讯模块只有在水面工作模式下单片机唤醒后才给其上电。
5.结语
本文介绍了一种基于STM32系列芯片的短信报警装置，其内嵌于报警浮标中。当报警浮标被释放并上浮至水面后，其内置的短信报警装置可给设定的用户发送浮标位置信息，便于水下设备的打捞回收。
参考文献
[1]王世明，李晴.基于北斗卫星导航系统的海洋监测浮标通信系统设计与应用[J].全球定位系统,2016,(04):102-105+116.
[2]李晴，高润，王世明，田晨曦，赵飞.高校图书馆外立窗遮阳装置模拟分析及优化设计[J].科技创新与应用,2016,(32):1-5.
[3]王世明，李晴，周婷.海水淡化集成技术的相关研究[J].环境工程,2017,(01):1-5.
[4]李晴，多参数海洋浮标监测系统研究.(硕士学位论文).上海，上海海洋大学，2017.