摘 要：针对无人船航行中远程操控和对自身运行状态、环境进行监测的需求，基于Android应用程序框架开发了一个地面站人机界面软件。系统采用Lora-WiFi网关实现无人船的操控和监测数据回传、处理和显示，并通过集成百度地图，使得用户可实时定位无人船的位置并对其回传的各项数据进行检测、解析和故障诊断，其中包括监测无人船的经纬度、航速和航向等位置信息。实船测试表明，系统的架构设计合理、运行可靠，同时具有良好的可扩展性。
关键词：无人船；Android应用程序框架；地面站；控制与监测
中图分类号：U664.82；TP273 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）09-0177-03
Abstract：In view of the demand for remote manipulating and running status and surroundings monitoring during the intelligent navigation of unmanned surface vessel（USV），a man-machine interface software for ground station is developed based on the framework of Android application program. The system uses Lora-WiFi gateway to realize remote control and monitoring data return，processing and display of USV，and integrated Baidu map，so that enables users to locate the current position of the USV in real time and detect，analyze and diagnose the data of the unmanned vehicle，including the basic parameters such as the latitude and longitude，speed and course of the USV. Real ship verification shows that the system architecture is reasonable，reliable and scalable.
Keywords：unmanned surface vessel；Android application program framework；ground station；control and monitoring
0 引 言
随着人工智能特别是无人系统的不断发展，人们也逐步展开对水面无人船（Unmanned Surface Vessel，USV）的研究和开发，探索其在环境监测、科研勘探、海洋测绘、海上救援、警戒监视等领域的应用。人们通过地面站系统，对航行和作业过程中USV自身的运行状态参数和采集的数据进行处理和监控，必要时辅以人工干预。本文基于Android应用程序框架，选用低功耗广域物联网Lora技术作为通信链路，集成离线地图功能，设计和开发了一个无人船地面站控制和监测系统。系统结构如图1所示，其中通过Lora-WiFi网关实现Lora和网络数据的协议转换。
1 系统实现关键技术
1.1 Android应用程序框架
Android是由Google发起和主导的开放手机联盟（Open Handset Alliance，OHA）开发的移动操作系统，主要用于智能手机、平板电脑等移动设备上。Android是基于Linux的自由开源操作系统，开发者使用其提供的应用程序框架API（如Activity、Broadcast Intent Receiver、Service、Content Provider和Intent and Intent Filter等基本组件）可以快速构建数据处理和用户界面的App程序。
1.2 离线地图和模拟定位
离线地图使得不需联网也能够获取地图数据，本文使用BaiduMap的API实现离线地图功能，具有地图查看、虚拟定位和无人船运动轨迹显示等功能。通过特殊方式来改变位置的方法称为模拟定位，由于系统运行时需要使用无人船中的GPS定位芯片发送过来的经纬度，所以本文不采取常规的定位方式，否则无法正常定位无人船的位置。
2 地面站控制和监测系统设计
地面站控制和监测系统在Android系统集成的应用程序框架、WiFi及串口底层驱动的基础上进行开发，具有故障检测、路径设置、地图定位与显示、数据回传、雷达操控等功能模块。软件系统架构如图2所示。
其中故障检测模块负责检测航行状态下无人船的动力设备，如无刷直流电机、电调，船体和环境感知传感器的运行状态，并进行故障诊断，同时兼顾对Lora通信链路状态的监测；地图定位与显示模块实现离线地图下载、使用离线地图和对无人船位置进行定位；数据处理模块接收无人船的运行状态、数据，进行实时处理并显示；雷达操控模块设置雷达的工作方式、转速、扫描方式等参数控制；通信设置模块对Lora通信链路的数据传输方式、空中速率和发射功率进行设置；船舶手制模块对船舶的直线前进、左转、右转等进行运动控制；航路设置模块在设定无人船目标方位、距离后，将该位置发送给无人船，由其自主避障航行。
3 地面站控制与监测系统的实现
3.1 Android平台下的Socket编程
通过Socket套接字来连接服务器，首先建立DHCP服务器并定义Lora-WiFi网关的IP地址变量，通过DHCP获取Lora-WiFi网关的动态IP地址，然后定义端口号，端口号和IP地址绑定后即可建立与网关间的连接。地面站系统向无人船发送命令的通信协议格式，如表1所示，其中数据由八字节组成，前两字节为数据包头固定不变，第三字节为主指令，第四字节到第六字节为副指令，第七字节为主指令和三位副指令的简单加和后对0xFF取余得到的校验值，第八字节为固定不变的数据包尾。
3.2 离线地图的实现
采用下载接口的方法集成百度离线地图功能，首先在百度地图开放平台中注册并申请密钥，将软件运行平台与百度API进行绑定。获取无人船的位置数据后，对GPS数据进行解析，进而完成后续的定位和路径规划任务。设计完成的系统运行界面如图3所示。
4 结 论
本文给出一个新颖的无人船地面站控制和监测系统的构建思路，并探讨其在Android平台上的设计和实现。实船测试表明系统能够可靠地完成无人船的航行状态监测、显示和故障诊断，操控距离远，界面友好，具有较高的实用价值。诚然，该软件系统还有一些功能有待实现，比如如何能让无人船在复杂水域自主导航，如何实现无人船机舱设备的预测性维护，这些都是后续研究的重点。
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作者简介：葛荣（1997-），女，江苏宿迁人，本科在读。从事Android移动互联、物联网系统设计和开发；乔大雷（1980-），男，江苏徐州人，硕士，高级工程师。从事物联网、智能信息处理的教学和科研；张超（1995-），男，江苏宿迁人，本科在读。从事Android移动互联、物联网系统设计和开发。
