近海水下设备漂浮定位系统的设计
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本设计使用MSP430F449单片机、GPS模块、GPRS模块和水压传感器构建近海水下设备漂浮定位系统。当设备入水后，通过开关电路关断GPS和GPRS模块电源，同时单片机进入低功耗模式；当设备出水后，通过开关电路打开GPS和GPRS模块电源，并定时向目标手机发送位置信息短息。系统器件在选型的时候重点考虑到了低功耗和高效率，系统使用到了低功耗的MSP430F449、GPS和GPRS模块，同时系统还使用了TPS61032和AO3415等高效率的电源芯片。
【关键词】MSP430单片机 GPS定位 低功耗 水压检测
1 引言
近年来我国近海海洋监测技术发展较快，各种近海海洋监测系统相继出现，其中大部分监测系统是自容式的系统，这种系统需要定期回收。自容式的监测系统一般可以定期浮出水面，之后进行人工回收，但由于海面缺少参考物，如果不能确定系统位置就很难进行回收工作，针对这种情况，本文使用MSP430单片机、GPS模块、GPRS模块和水压传感器构建近海水下设备漂浮定位系统。该系统通过MSP430单片机检测水压传感器来判定设备是否出水，当设备出水后通过单片机控制GPRS模块将GPS采集的位置和时间数据发送到相应的手机终端，进而可以确定设备的位置。
2 硬件电路设计
2.1 供电模块
供电模块主要采用3.7V大容量动力锂电池、TPS61032和LM1117 3.3芯片。TPS61032是一种高效的电源转换模块，输入范围为1.8V到5.5V，电压输出范围可调。本设计使用TPS61032芯片输出电压为5V同时提供1A的电流输出，满足GPRS模块工作时峰值电流可达1A的设计需求。TPS61032的电路原理图如图1所示。
该设计采用3.7V大容量动力锂电池作为电源输入，从而可以保证电源高效稳定的长期供应。MSP430单片机通过水压传感器获取水深信息，并根据获取的水深信息判定设备是否入水，当判定设备入水后单片机进入低功耗模式，同时利用开关电路关断GPS和GPRS模块的电源供给，从而尽可能的减小电量的损耗，开关电路如图2所示。
2.2 MSP430单片机模块
TI公司的MSP430系列是一个特别强调低功耗的单片机品种，很适合用于采用电池供电的长时间工作场合。本设计采用MSP430F449单片机芯片，该芯片有两个串口模块USART0、USART1分别对应P2.4和P2.5及P4.0和P4.1[2]，而且这两个串口都可以实现UART异步通信和SPI同步通信，从而满足与GPS和GPRS模块双串口通信的要求。
MSP430单片机有五种低功耗模式：LPM0～LPM4，该设计中使用LPM3低功耗模式，在该状态下，CPU、MCLK、SM-CLk和DCO关断、只有ACLK可用，这样可以保证在低功耗模式最大程度的减小能量损耗。MSP430单片机在LPM3低功耗模式下时可以通过定时器和ADC等中断源唤醒，当出现定时中断信号后进入定时中断程序，并在中断程序中判定是否到达定时时间，若达到定时时间则退出LPM3低功耗模式，之后在正常模式下完成AD转换，当完成AD转换后判定设备是否出水，若设备仍处于水下，则单片机继续进入LPM3低功耗模式并重复上述过程。
2.3 GPS和GPRS模块
该设计中GPS使用M-9539GPS模块。M-9539是一种低功耗MTK GPS解决方案，其追踪灵敏度为-165dBm，同时支持SBAS/QZSS，这样可以在保证较低功耗的情况下，达到较好的地位效果。就成本而言，M-9539在性能相近的GPS模块中，也是理想之选，M-9539GPS模块的电路原理图如图3所示。该设计中GPRS模块是SIM900A，该模块具有较高的稳定性和较低的功耗，可以保证在电池供电的条件下系统的长期运行。
3 嵌入式软件设计
该设计中的MSP430程序主要用到了ADC、串口、定时器、IO口等资源。ADC主要用于水压传感器的数据采集，串口用于控制GPS和GPRS模块，而定时器则是作为看门狗喂狗、采集水压传感器数据和短信发送的定时基准，IO口可以用来控制开关电路的状态。MSP430单片机软件整体流程图如图4所示。
程序在开始阶段先进行初始化操作，主要包括硬件资源和系统状态标识初始化，硬件资源包括开关管电路（I/O）、定时器、串口1、串口2和ADC；系统状态标识初始化主要设置水压检测标识、系统工作状态标识等，该程序中水压检测标识使用“check_pressure_flag”，当系统出水后，check_pressure_flag置1，初始状态check_pressure_flag置0。系统完成初始化后会每隔10分钟检测一次水压传感器采样值，根据水压传感器采样值判定设备是否出水。当设备出水后，单片机使用开关电路打开GPS和GPRS模块并进入正常工作模式，之后每隔5分钟向手机端发送一次短信，短信格式为“$设备ID，时间，经度，纬度”，通过读取短信可以获取设备所在位置，便于O备的找寻。当设备位于水下时，MSP430F449单片机通过开关电路关闭GPS和GPRS模块电源并进入低功耗模式。
4 结语
在开阔的外部场地中，经短时间的定位后，系统可以实现位置信息到目标手机的定时发送功能。测试短信如下：
$001，15：02：09，36d09.57510m，N，120d29.58422m，E
$001，15：03：09，36d09.57510m，N，120d29.58422m，E
$001，15：04：09，36d09.57510m，N，120d29.58422m，E
测试阶段系统已经实现了基本的功能，除此之外还需要考虑系统外壳的耐压性、水密性和耐腐蚀性，同时也应避免使用金属外壳造成对天线信号的屏蔽。
参考文献
[1]童诗白，刘长英.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001：171-202.
[2]MSP430 Family User’s Guide.Texas Instruments Incorporated，2004.
[3]胡大可.Msp430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.
作者简介
孔海洋（1991-），男，山东省菏泽市人。硕士学位。现为中国海洋大学通信与信息系统专业硕士研究生。主要研究方向为水下观测系统。
作者单位
中国海洋大学信息科学与工程学院 山东省青岛市 266520