陳石平，史哲英，楊曉明，徐偉強(qiáng)

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

目前我國海洋水文觀測數(shù)據(jù)的獲取方式主要有船舶觀測[1]、海洋臺(tái)站觀測[2]和國際交流數(shù)據(jù)，一般先對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳送、加工、最后進(jìn)行發(fā)布,由于測量船成本高不能大范圍長時(shí)間數(shù)據(jù)采集、測量站只能在靠陸地定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集而無法完成遠(yuǎn)離海岸線的數(shù)據(jù)采集、國際交流資料片面,存在周期長、數(shù)據(jù)更新慢等不足,不能滿足信息化條件下的需求。

本文針對(duì)海洋水文測量數(shù)據(jù)采集設(shè)備的現(xiàn)狀，采用北斗RNSS、RDSS技術(shù)，設(shè)計(jì)一款海洋水文數(shù)據(jù)流動(dòng)監(jiān)控終端，終端可以跟隨海洋洋流漂移，定時(shí)將RNSS定位點(diǎn)所采集的水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心，并接收指令。具有成本低、實(shí)時(shí)傳輸、動(dòng)態(tài)采集、彌補(bǔ)了海洋測量船與海洋測量站的不足，為海洋應(yīng)急保障、構(gòu)建基于GIS的海洋水文數(shù)據(jù)的可視化方式提供有力的支持。

1 終端功能

1.1 數(shù)據(jù)采集

目前水文數(shù)據(jù)有表層海水溫度、表層海水鹽度、相對(duì)濕度、氣溫、海流等[2]，終端靠自身的攜帶電池供電，且終端隨洋流流動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍、動(dòng)態(tài)地從各類傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)、并傳到終端ARM進(jìn)行處理數(shù)據(jù)。

1.2 北斗RNSS定位和RDSS通信功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星、地面中心站和用戶終端三部分組成，具有RNSS定位、RDSS雙向通信等功能，目前已經(jīng)完成亞太區(qū)域覆蓋。

利用RDSS收發(fā)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每次通信數(shù)據(jù)數(shù)量為98個(gè)ASCII碼[3]，服務(wù)頻度為1分鐘1次，可以代替昂貴的國外衛(wèi)星短報(bào)文通信。定時(shí)將RNSS定位點(diǎn)所采集的水文數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心，并接收來自監(jiān)控指令如更改發(fā)信頻度等。

目前國產(chǎn)RNSS定位模塊可以實(shí)現(xiàn)快速定位，其定位性能與GPS相當(dāng)，定位精度在10m左右，利用其定位信息可以獲得洋流的流向與流速。

2 設(shè)計(jì)方案

終端內(nèi)置RNSS雙模定位模塊、RDSS短報(bào)文通信模塊、溫濕度傳感器、溫鹽度傳感器、低功耗ARM控制模塊、定時(shí)模塊、電源模塊等，主要模塊功能參數(shù)如表1所示，原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

表1 主要模塊參數(shù)

各組成部分功能分別如下：

（1）RNSS定位模塊：接收BD、GPS信號(hào)，支持單BD定位，單GPS定位和組合定位三種定位模式，采用以北斗為主融合GPS的組合定位算法完成定位，是實(shí)現(xiàn)終端流動(dòng)軌跡的核心模塊，提供經(jīng)緯度位置、時(shí)間信息等，通過軌跡數(shù)據(jù)點(diǎn)可以獲取洋流的速率和方向。

（2）RDSS短報(bào)文通信模塊：是和監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口，向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)接收監(jiān)控中心的指令完成終端各種參數(shù)的設(shè)置。傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容主要有：經(jīng)緯度、氣溫、濕度、水溫、鹽度等上報(bào)采集。

（3）溫濕度傳感器：傳輸數(shù)據(jù)主要表層海水有氣溫、濕度信息。相對(duì)濕度是絕對(duì)濕度與最高濕度之間的比，其值表示空氣中水蒸氣的飽和度有多高。實(shí)際觀測時(shí)常采用相對(duì)濕度。相對(duì)濕度的定義是實(shí)際的空氣水氣壓強(qiáng)和同溫度下飽和水氣壓強(qiáng)的百分比。根據(jù)《海濱觀測規(guī)范》規(guī)定，采樣頻率為每3s一次，連續(xù)采樣60s，經(jīng)誤差處理后計(jì)算平均值[4]。

（4）溫鹽度傳感器：傳輸數(shù)據(jù)主要有表層海水溫度、表層海水鹽度信息。絕對(duì)鹽度是指海水中溶解物的質(zhì)量與海水質(zhì)量的比值，但絕對(duì)鹽度無法直接測量。實(shí)用鹽標(biāo)用電導(dǎo)率方法測量海水鹽度，鹽度定義是：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的環(huán)境溫度中，海水樣品與標(biāo)準(zhǔn)氯化鉀溶液的電導(dǎo)比。根據(jù)《海濱觀測規(guī)范》規(guī)定，采樣頻率為每3s一次，連續(xù)采樣60s，經(jīng)誤差處理后計(jì)算平均值[4]。

（5）低功耗ARM控制模塊：高集成、高效率、超低功耗的ARM處理器，負(fù)責(zé)RDSS協(xié)議解析和轉(zhuǎn)發(fā)：接收并解析來自RNSS定位模塊的NMEA-0183格式數(shù)據(jù)；接收并解析溫濕度傳感器、溫鹽度傳感器發(fā)送過來的信息，將處理過的數(shù)據(jù)傳送到RDSS模塊再發(fā)送至監(jiān)控中心；在滿足系統(tǒng)性能的前提下，適當(dāng)降低ARM工作頻率，并對(duì)各類模塊進(jìn)行電源管理；

（6）定時(shí)模塊：接收ARM控制模塊的命令，是主要模塊電源的總開關(guān)，通過使用低工作頻率、低功耗的單片機(jī)，采用鋰電池進(jìn)行單獨(dú)供電，使終端工作時(shí)間得到最大優(yōu)化，不工作時(shí)關(guān)閉電源，減低了整體功耗。

（7）電源模塊：電池電壓標(biāo)稱值12V，電源模塊A產(chǎn)生3.3V用于RNSS模塊、ARM控制模塊等，電源模塊B產(chǎn)生5V用于RDSS模塊，溫濕度傳感器、溫鹽度傳感器使用12V電壓。各模塊采用電源管理方式進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，硬件方面要求選擇高效率的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片，最大限度地延長電池的使用壽命。

3 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

終端在軟硬件方面進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，具體措施如下：

（1）RNSS快速定位：由于終端工作時(shí)間有限整個(gè)設(shè)備安裝浮球中，浮球隨洋流不斷的漂泊，在RNSS模塊采用超級(jí)電容技術(shù)保存上次定位的星歷數(shù)據(jù)，加快了定位速率，提高了效率，減低了功耗。

（2）RDSS短報(bào)文通信模塊協(xié)議兼容性：在軟件中集成北斗一代、北斗二代兩種協(xié)議、數(shù)據(jù)處理模式，互不干涉影響。根據(jù)實(shí)際情況，ARM自動(dòng)識(shí)別協(xié)議類型，進(jìn)行相應(yīng)的處理，提高了模塊的互換性和兼容性。

（3）遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置功能：RDSS通訊模塊接收監(jiān)控中心發(fā)來的指令進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：如設(shè)置數(shù)據(jù)上傳頻度、關(guān)閉/開啟上傳功能等。

（4）數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)功能：當(dāng)RDSS存在信號(hào)盲區(qū)或者干擾，導(dǎo)致無法發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，終端將記錄數(shù)據(jù)到非易失性存儲(chǔ)器中，待恢復(fù)正常通信后，將保存的數(shù)據(jù)再次發(fā)送。

（5）緊急關(guān)閉：終端可根據(jù)監(jiān)控中心的指令，關(guān)閉通信模塊、關(guān)閉/開啟定位和傳感器功能，達(dá)到安全保密目的。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，監(jiān)控中心可以發(fā)送指令，讓終端重新開啟相關(guān)功能。

（6）自毀功能（預(yù)留）：當(dāng)終端使用超過使用年限、已經(jīng)漂移到RDSS不能覆蓋的區(qū)域、電池電量將耗盡或者其他特殊原因，終端可以啟用自毀程序。

（7）信源加密：對(duì)信源進(jìn)行加密，采用高強(qiáng)度加密算法對(duì)敏感信息進(jìn)行加密處理，即使數(shù)據(jù)在傳輸過程中被截獲，也無法獲取有用的信息，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全保密性能。

（8）低功耗設(shè)計(jì)：低功耗模式和電池智能管理密切關(guān)聯(lián)，由處理器根據(jù)終端狀態(tài)和電池信息決定，是軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的過程。硬件方面選用具備待機(jī)、休眠和關(guān)斷等低功耗的處理器；選用有休眠功能的外設(shè)及元器件；軟件方面要求能根據(jù)數(shù)據(jù)采集狀況，關(guān)閉相關(guān)的處理模塊，處理器進(jìn)入對(duì)應(yīng)的節(jié)能待機(jī)或者睡眠模式，降低相關(guān)模塊功耗。各個(gè)模塊的供電實(shí)行軟件開關(guān)，如對(duì)溫濕傳感器、溫鹽傳感器、RNSS模塊發(fā)送完成后ARM控制模塊對(duì)其進(jìn)行關(guān)閉電源，最后才開啟RDSS模塊進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，針對(duì)三個(gè)功耗大的模塊，電源管理框圖如下圖2所示。

（9）信息處理流程：定時(shí)模塊開啟電源模塊A，ARM控制模塊啟動(dòng)初始化后開啟RNSS模塊、溫濕度傳感器、溫鹽度傳感器3種電源控制信號(hào)，如一種信號(hào)采集完送至ARM控制模塊后ARM輸出使能信號(hào)關(guān)閉其電源，待3種信號(hào)均采集完畢并經(jīng)過處理后開啟RDSS模塊電源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，傳送完成后關(guān)閉RDSS模塊電源，最后ARM控制模塊通知定時(shí)模塊關(guān)閉電源模塊A。

圖2 電源管理框圖

4 結(jié)束語

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。掌握海洋水文數(shù)據(jù)，調(diào)查海洋資源及促進(jìn)海洋合理開發(fā)利用,已成為當(dāng)前高科技發(fā)展的迫切任務(wù)[5]。本文針對(duì)目前海洋水文測量數(shù)據(jù)采集設(shè)備的現(xiàn)狀，給出了一種基于北斗RNSS定位、RDSS通信方式的流動(dòng)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了終端的組成、方案和軟硬件設(shè)計(jì)。海洋水文數(shù)據(jù)采集對(duì)我國海洋調(diào)查、研究、資源開發(fā)和保護(hù)等具有的重要意義。

[1]海洋站水文氣象觀測設(shè)備與系統(tǒng)集成通用技術(shù)要求(試行)[S].國家海洋局,2013年9月.

[2]鄧玉芬等.基于北斗衛(wèi)星的海洋測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].海洋測繪,2009.

[3]成方林等.“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋水文、氣象監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].海洋技術(shù),2004.

[4]海濱觀測規(guī)范[S].GBT/14914-2006.

[5]蘇奮振等.海洋地理信息系統(tǒng)理論基礎(chǔ)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].海洋學(xué)報(bào)(中文版),2004.