论文总字数：27570字

摘 要

船舶燃油消耗是船运公司最主要成本之一，特别是随着近年来油价的上涨，各船舶公司对油耗的管理越来越严格，也提出了构建信息化管理系统的需求。针对该需求，本文设计了基于MSP430F149的航行数据采集终端并进行了测试。

该终端以MSP430F149为控制核心，接入油位传感器和转速传感器来测量船舶的油位和发动机的转速，利用实时时钟芯片和存储芯片进行计时和采集数据的保存，内置SIM808模块可同时实现GPS数据的接收和数据的GRPS无线传输，另外还设计有USB芯片用于上位机读取本地存储中的数据。

基于该硬件平台，单片机上设计程序实现了日期时间、经纬度、航速、油位、转速的采集，并按照规定的数据协议发送到后台服务器。另外为了提高可靠性，程序上设计了数据保存和发送失败数据重发的机制，尽可能保证航行数据的完整性。

前期对该终端进行了功能测试，各项功能成功实现并能长时间稳定工作。后期在船舶安装了该终端进行实测，测试结果显示航行数据采集终端具有较高稳定性和可靠性，工作情况基本符合预期目标。

关键词：MSP430F149，航行数据采集终端，油位测量，SIM808，GPS，GPRS，可靠性

Abstract

Ship‘s fuel consumption is one of the major cost of shipping company. Especially with the rise in oil prices in recent years, all the shipping companies’ management on fuel consumption has become more and more strict. And the demand of building information management system was put forward. According to the demand, we design a voyage data acquisition terminal based on MSP430F149 in this paper.

The terminal take MSP430F149 as the control core. When connected to the oil level sensor and speed sensor, it can measure the oil level and the speed of engine. The terminal make use of real-time clock and memory chip for timing and saving data. And with the help of SIM808, it can realize the GPS data reception and GPRS wireless data transmission at the same time. Also a USB chip is used for the PC to read data from the local storage.

Based on the hardware platform, the program in the microcomputer complete the acquisition of date, time, latitude, longitude, speed, oil level, speed of engine and send data to the backend server on the basis of the data protocol. Furthermore, in order to improve the product reliability, the program has the function of data saving and failed data retransmission to make voyage data as complete as possible.

On the early functional test of the terminal, all the functions is achieved and can work stably for a long time. Later the terminal is install in a ship to conduct a real test. And the test results show the high stability and reliability of the voyage data acquisition terminal. Its working status conform to the anticipated goal basically.

Key words: MSP430F149, voyage data acquisition terminal, oil level measurement, SIM808, GPS, GPRS, reliability

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2本课题的研究内容 2

第二章 硬件电路设计 3

2.1 系统总体设计方案 4

2.2 电源电路设计 4

2.3 SIM808电路设计 7

2.4 油位传感器接口电路 8

2.5 转速传感器接口电路 8

2.6 时钟芯片应用电路 8

2.7 存储芯片应用电路 8

2.8 USB芯片应用电路 8

2.9 MSP430电路接口设计 8

第三章 MCU程序设计 11

3.1通信协议 11

3.1.1 油位传感器数据协议 11

3.1.2 GPS数据协议 11

3.1.3 数据包协议 11

3.2 程序总体设计方案 13

3.2.1 程序功能框架设计 13

3.2.2 主程序流程设计 14

3.3 GPS功能程序设计 15

3.3.1 GPS功能相关AT指令 13

3.3.2 GPS数据解析程序设计 14

3.4 GPRS控制程序设计 15

3.4.1 GPRS功能相关AT指令 13

3.4.2 GPRS控制程序设计 14

3.5 数据包保存机制设计 15

3.5.1 数据包压缩程序设计 15

3.5.2 数据包保存程序设计 16

3.6 失败数据包重发机制设计 15

3.3.3 失败数据包缓存程序设计 17

3.3.3 失败数据包取出程序设计 17

第四章 终端功能测试 22

4.1 前期功能测试 22

4.2 上船安装测试 23

4.2.1 现场安装 23

4.2.2 接收数据测试 25

第五章 总结与展望 39

5.1 全文总结 39

5.2 未来工作展望 39

致谢 40

参考文献 41

第一章 绪 论

1.1 课题背景与意义

船舶燃油消耗是船舶公司最主要成本之一，特别是随着近年来油价的上涨，船舶运输成本中燃油费大所占比例不断增加。各船舶公司对油耗的管理越来越严格，也更加专注于船舶的高效管理和提供经营效益的研究。出于管理需要，船舶通常要定期向船舶公司报告存油量，但如果人为进行油量测定，可能会出现测量次数太少甚至没有测量的情况，或者故意多报、少报油量等做法。船舶油量统计容易受人为因素影响，既不能保证数据的实时性，也不能确保数据的精确性。所以说，传统的统计方法已经很难满足船舶公司日益扩大的船舶规模和大量数据统计的要求。而随着信息化技术日益成熟，越来越多的领域都增添了更多的信息化元素，这使得构建船舶数据信息化管理成为可能。所以就可以设计一种装置能够实现实时采集船舶的各项航行数据，然后凭借这些数据来实现对船舶更加高效合理的数字化管理。而各类传感器的综合应用，可以获得丰富的航行数据，主要包括船舶的当前日期和时间、经纬度坐标、航速、油量、发动机转速和累计工作时间等等。

本课题正是基于这个需求背景，来设计一台航行数据采集终端，利用GPS定位技术，来跟踪船舶当前位置，从而来监控和指导船舶的航速，同时，采用液位传感器和转速测量传感器来测量船舶的油量和发动机工作状态参数，这些数据有助于对船舶的行驶路线进行优化，以达到节能之目的。该终端采用GPRS数据传输方式发送到后台，然后后台进行后期的数据处理，为管理者提供船舶航行的现场数据和分析结果，以便实时掌握船舶的运行情况并进行更加科学合理的管理。

1.2 本课题的研究内容

本课题研究的主要内容是，以实现终端对油位、转速等各项数据的采集和发送为目的，设计与实现终端的软硬件系统。具体工作如下：

1. 设计制作基于MSP430F149的航行数据采集系统的电路。包括电源电路、SIM808电路模块、油位和转速传感器接口电路、各功能芯片应用电路以及主控MCU电路的设计。要求各电路模块工作正常稳定，硬件可靠性高；
2. 编写基于MSP430F149单片机的数据采集和发送程序。主要包括数据的采集、数据的存储、建立GPRS连接发送数据及失败数据重发的可靠性设计等；
3. 使用远程桌面对后台服务器接收数据测试。主要包括数据接收测试、数据传输稳定性和可靠性测试、数据作图分析等。

第二章 硬件电路设计

2.1系统总体设计方案

作为一个采集航行数据的终端，从硬件电路上要设计出电源、主控MCU、各功能模块和传感器接口，其整体硬件设计框架如下图所示。

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