孔衛(wèi)奇+楊志勇+馬尚昌

摘 要： 目前海洋監(jiān)測大都采用錨碇浮標和Argos衛(wèi)星通信技術(shù)，針對其監(jiān)測范圍有限、通信時限受衛(wèi)星過頂時間限制、供電系統(tǒng)續(xù)航能力差、數(shù)據(jù)的安全得不到保證等問題，在參考已有的漂流浮標系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新的小型化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在其經(jīng)過的路徑完成對相關(guān)海域的氣象水文數(shù)據(jù)實時、連續(xù)、長期、準確地采集。為了最大限度地提高浮標運行時長，采用超低功耗微處理器、配置太陽能充電模塊及為所有部件設(shè)置獨立電源控制。浮標通信主要采用我國自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)，不僅覆蓋范圍廣，而且數(shù)據(jù)安全性能得到保證。實驗測試結(jié)果表明該浮標數(shù)據(jù)采集及通信系統(tǒng)性能優(yōu)良，對于深遠海洋氣象水文觀測意義重大。

關(guān)鍵詞： 漂流浮標； 氣象水文； 北斗通信； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN914?34； P715.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0160?04

Design and realization of Beidou communication system based drifting

buoy for meteorology and hydrology observation

KONG Weiqi1， YANG Zhiyong2， MA Shangchang1， 3

（1. Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China；

2. Huayun Sounding （Beijing） Meteorological Technology Corporation， Beijing 102299， China；

3. CMA Key Laboratory of Atmospheric Sounding， Chengdu 610225， China）

Abstract： The moored buoy and Argos satellite communication technology are mostly used in the marine monitoring， which have the problems of poor cruising ability of power supply system and limited monitoring range， can′t guarantee the data security， and their communication time is limited by the satellite covering time. By referring to the existing drifting buoy system， a new miniaturized system structure was designed to realize the real?time， continuous， long?term and accurate acquisition of meteorological and hydrological data in relevant sea areas for the passing path. In order to prolong the operation time of buoy to the maximum extent， the ultra?low power consumption microprocessor is adopted， the solar charging module is configured， and the independent power control is set for all components. The Beidou communication system developed by China independently is used in buoy communication， which has wide coverage area and can guarantee the data security. The experimental test results show that the buoy data acquisition and communication system has excellent performance， and has great significance for the meteorology and hydrology observation of deep ocean.

Keywords： drifting buoy； meteorology and hydrology； Beidou communication； data acquisition

0 引 言

海洋是我國領(lǐng)土的重要組成部分和寶貴的財富資源，具有重要的國防戰(zhàn)略地位和經(jīng)濟實用價值。十八大報告中明確提出建設(shè)海洋強國，充分體現(xiàn)了國家對海洋的重視。而海洋水文氣象觀測是認識海洋、研究海洋、開發(fā)利用海洋的基礎(chǔ)，海洋觀測儀器則是海洋觀測的工具和手段[1]。近年來為滿足社會發(fā)展的需要，地面氣象觀測已實現(xiàn)業(yè)務(wù)化，觀測技術(shù)與觀測方法都得到了顯著地提高，形成了全國的觀測網(wǎng)。在各種硬件平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計并編寫高效率的運行程序來完成地面氣象數(shù)據(jù)處理加工。我國同樣是個海洋大國，由于海洋環(huán)境特殊性的原因，不像陸地那樣方便安裝與布置觀測儀器，同時對深遠海氣象水文數(shù)據(jù)觀測也有較高的要求，如電源系統(tǒng)要保證設(shè)備長時間運行、無人值守智能化處理數(shù)據(jù)、無線通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣等[2]，這些因素制約著海洋觀測技術(shù)的發(fā)展。相比地面氣象觀測，海洋氣象水文觀測技術(shù)發(fā)展較慢，不僅觀測布網(wǎng)點少、觀測范圍有限，特別是遠海觀測幾乎空白。因此改善浮標結(jié)構(gòu)，運用北斗通信系統(tǒng)進一步改進電源系統(tǒng)等是十分有必要的，對于海洋經(jīng)濟發(fā)展意義重大[3]。

該漂流浮標具有自動連續(xù)采集海洋水文氣象數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)等功能，可在海洋調(diào)查中完成對海洋氣象、水文的自動測量。浮標采用亞克力材料，具有重量輕便于投放、集成度高體積小、通信范圍廣等特點，電源系統(tǒng)采用太陽能板和鋰電池相結(jié)合，理論上可以在海洋中連續(xù)工作一年以上。歷年國際大型海洋科學(xué)實驗表明，漂流浮標對缺乏數(shù)據(jù)海域的氣象水文分析和預(yù)測非常重要，海流數(shù)值及其變化量的分布對大洋環(huán)流研究則起著更為重要的作用[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 浮標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海洋氣象水文觀測系統(tǒng)的主要功能是完成對其所流經(jīng)海域氣象水文數(shù)據(jù)的觀測，并把觀測數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)發(fā)送至岸基數(shù)據(jù)處理中心[5]。依據(jù)其工作環(huán)境和功能需求，本設(shè)計浮標系統(tǒng)以球形漂流浮標為工作平臺，球體水上部分安裝常規(guī)氣象要素傳感器，球體水下部分安裝水文要素傳感器，球體內(nèi)部裝有采集器、電源部件等硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中水面浮標殼體選用亞克力材料，考慮到太陽能充電，球體上半部分殼體選用無色透明亞克力，球形漂流浮標尺寸設(shè)計為：球體直徑為35 cm；球體及以上結(jié)構(gòu)總高度為58.4 cm；總體積約為22.44 L，排水體積可以由水下水帆重量控制。浮標在海面上漂流時，主要受到海流、波浪和風的作用，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上既要保證浮標具有很好的隨流性，又要滿足氣壓、氣溫、風的拉格朗日法則，同時獲取海表氣象要素數(shù)據(jù)，滿足傳感器測量對安裝位置的要求[6]。綜合考慮，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計配置水下水帆，水帆的重力作用可以降低浮標體隨海水的浮動性，降低風對系統(tǒng)漂流運動的影響，提高數(shù)據(jù)獲取的準確性。

1.2 電路系統(tǒng)設(shè)計

電路系統(tǒng)主要由微處理器（MCU）、氣象水文要素傳感器、狀態(tài)監(jiān)測模塊、姿態(tài)監(jiān)測模塊、北斗通信模塊、電源供電系統(tǒng)等組成。電路系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，微處理器按照程序設(shè)定時序，控制各氣象水文要素傳感器采樣原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、存儲、傳輸?shù)?。外圍模塊作為微處理器運行不可或缺的部分，主要由存儲器、實時時鐘、晶振、看門狗等單元組成。狀態(tài)檢測部件主要完成對電路中電壓的監(jiān)測、MCU運行狀態(tài)監(jiān)測及海水浸沒狀態(tài)監(jiān)測，通過狀態(tài)信息可以及時了解系統(tǒng)的運行情況。姿態(tài)監(jiān)測提供浮標體三維運動狀態(tài)，浮標體易受海水浮動影響，對于漂流浮標來說，風準確性的測量一直是個難題，因此系統(tǒng)設(shè)計采用蘋果手機中應(yīng)用的姿態(tài)監(jiān)測模塊，主要用來修正風數(shù)據(jù)，降低風測量數(shù)據(jù)的誤差。

主電源為12 V可充電100 A[?]H的鋰電池，通過二次變壓滿足整個電路系統(tǒng)的不同需求，電路中配置有過載保護。設(shè)置基準電壓比較器，監(jiān)測電池的電壓，當電池電壓過低時，切斷電源對電池予以保護。為了提高浮標系統(tǒng)的運行壽命，采用太陽能電池板為鋰電池充電，太陽能充電控制采用MPPT（最大功率點跟蹤）控制方式。電路設(shè)計中由微處理器控制充電使能和電池充電狀態(tài)檢測。同時，為了有效降低系統(tǒng)運行功耗，對于系統(tǒng)中的主要部件和芯片采用獨立供電方式，在部件或芯片不工作時，采用切斷電源的方式節(jié)省功耗。

1.3 程序設(shè)計

主程序主要包括程序運行初始化和主循環(huán)兩個部分。主程序流程圖如圖3所示。程序初始化主要完成對程序運行必須的參數(shù)配置、運行變量、MCU的初始狀態(tài)、端口設(shè)置、外圍部件等初始化處理[7]。主循環(huán)是整個程序正常運行與按照要求完成工作的關(guān)鍵，主循環(huán)是查詢“時間事件”的標志位，并進行事件處理，主要完成對時間事件、操作事件的查詢處理及對看門狗的管理。為了防止程序跑飛，程序中設(shè)計有硬件看門狗管理，硬件資源可以使用低功耗模式，降低能耗，對浮標系統(tǒng)來說可有效增加運行時長。

程序運行時序采用MCU的內(nèi)部定時器，配置一個1 ms的主定時器，程序運行的時序控制時鐘便是利用該1 ms的主定時器。通過1 ms的中斷計時處理，分別設(shè)置100 ms，s，min，h和日變化時間事件，事件時間標志位到時，通過對事件的處理，執(zhí)行相關(guān)對采樣數(shù)據(jù)處理、觀測要素測量、數(shù)據(jù)存儲及發(fā)送處理等時序控制處理。系統(tǒng)程序設(shè)計有專門為開發(fā)和測試用的命令，通過串口輸入命令，不僅可以單獨控制各部件供電開關(guān)，還可以測試各測量數(shù)據(jù)的準確性，定位姿態(tài)信息，檢查微處理器主要功能，事件執(zhí)行是否正確，實時查看運行現(xiàn)狀，讀取各種記錄數(shù)據(jù)等。終端控制命令的制定主要參考海洋氣象觀測站功能需求書[8]。

1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

海洋氣象水文浮標觀測系統(tǒng)的北斗通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。微處理器控制北斗數(shù)據(jù)通信終端，將處理后的各種數(shù)據(jù)信息以短消息的格式發(fā)送給北斗衛(wèi)星[9]；北斗衛(wèi)星完成數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，分別發(fā)送至北斗網(wǎng)管中心與基岸服務(wù)中心配置的北斗指揮機；北斗網(wǎng)管中心接收北斗衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)并入庫保存，當需要數(shù)據(jù)時可以通過計算機互連網(wǎng)絡(luò)進行訪問，提取觀測數(shù)據(jù)；北斗指揮機作為陸地數(shù)據(jù)分析中心，配置本地衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)指揮管理控制單元，可以直接接收各個浮標發(fā)送回來的觀測數(shù)據(jù)，同時也可以對指定的遠程浮標實施遠程管理控制操作[10]。海洋浮標岸基服務(wù)器作為本地數(shù)據(jù)接收管理控制中心，接收由指揮機送來的各站點觀測數(shù)據(jù)，并存入本地建立的數(shù)據(jù)庫，供控制中心平臺訪問使用；浮標控制中心平臺是實時處理數(shù)據(jù)的直觀顯示頁面，依托岸基服務(wù)器建立數(shù)據(jù)連接關(guān)系，通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)直觀顯示主要由PC機上的上位機軟件完成，以實現(xiàn)客戶端的控制中心功能，主要功能包括：為海洋觀測人員提供各站點觀測數(shù)據(jù)的實時顯示、查詢、觀測歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、實時監(jiān)測遠程浮標的運行狀態(tài)[11]，并完成簡單的控制處理。

浮標球體帶有小型北斗數(shù)據(jù)傳輸終端，它由天線單元、射頻前端、基帶芯片電路、GPS模塊電路、ARM處理單元、電源管理和接口電路等七個功能部分組成。 天線單元由北斗接收、北斗發(fā)送和GPS接收共三個頻點天線振子組成，它接收來自空間的電磁波信號并提供給射頻前端的低噪聲放大器，同時將射頻功率放大器輸出的發(fā)射信號以電磁波的形式發(fā)送出去。射頻前端由低噪聲放大器、前端功率放大器和射頻收發(fā)通道等電路組成，可以實現(xiàn)北斗收發(fā)信號的濾波、放大和上下變頻，并為基帶處理電路提供同步時鐘源。北斗基帶芯片電路具有北斗信號的捕獲、跟蹤、調(diào)制解調(diào)和電文處理等功能，其核心器件為北斗基帶芯片。GPS模塊電路主要由集成了射頻和基帶的u?Blox模塊組成，具有GPS信號的接收濾波、信號放大、下變頻解調(diào)和定位解算等功能。ARM處理單元的核心為STM32處理器芯片，執(zhí)行氣象協(xié)議的編解碼、北斗信息/GPS信息的再處理以及對整機工作狀態(tài)的控制等功能。電源管理實現(xiàn)電源保護、多路電壓變換、電源狀態(tài)檢測等功能。接口電路提供終端整機與外圍設(shè)備的電器連接，提供RS 232和RS 422標準的通信接口。同時，整機程序維護和北斗衛(wèi)星定位總站性能測試也通過接口電路實現(xiàn)。

1.5 岸基數(shù)據(jù)處理中心

中心站數(shù)據(jù)接收處理軟件是在CAWSAnyWhere區(qū)域站自動站統(tǒng)一版數(shù)據(jù)收集平臺軟件的基礎(chǔ)上，增加海洋監(jiān)測站數(shù)據(jù)接收處理。該軟件系統(tǒng)是一套地面氣象觀測站網(wǎng)的全局性和區(qū)域性數(shù)據(jù)收集、管理和應(yīng)用的綜合處理平臺。國家基本業(yè)務(wù)地面觀測站網(wǎng)和區(qū)域性加密觀測站網(wǎng)均可通過該平臺得到綜合應(yīng)用和管理。該系統(tǒng)軟件主要由區(qū)域站自動站統(tǒng)一數(shù)據(jù)收集平臺軟件和Web氣象信息應(yīng)用系統(tǒng)兩部分組成。區(qū)域自動站統(tǒng)一數(shù)據(jù)收集平臺軟件將現(xiàn)有各種類型觀測站、各種類型業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、各種科學(xué)實驗探測設(shè)備統(tǒng)一到本網(wǎng)絡(luò)平臺運行管理，實現(xiàn)各種氣象數(shù)據(jù)的全方位、多渠道的收集、處理與融合應(yīng)用，通過各種通信手段，完成全網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集、處理、存儲、應(yīng)用、分析、顯示功能。以層層級聯(lián)的方式實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用和外部服務(wù)，完成數(shù)據(jù)實時上傳上報、平級共享應(yīng)用以及控制流、狀態(tài)流的互聯(lián)互通。

2 測試結(jié)果

通信系統(tǒng)采用我國自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)，傳輸效率高，不再依賴國外衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心，從根本上確保數(shù)據(jù)的安全性[12]。目前該浮標系統(tǒng)完成實驗室測試，通過中心站數(shù)據(jù)接收綜合管理軟件可以了解各站點通信狀態(tài)及實時數(shù)據(jù)，如需要獲得某個站點實時氣象水文數(shù)據(jù)，點擊該站點，可以查看該站點詳細的狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息，如圖5所示。

當測試2號站點通信出現(xiàn)問題中斷時，可以根據(jù)顏色獲知，為及時通過遠程命令重啟恢復(fù)通信和維修提供方便。

3 結(jié) 語

該浮標系統(tǒng)體積小、易于布放，采用低功耗微處理器、各部件供電電源控制及太陽能板最大限度地延長了系統(tǒng)在海上漂流工作時間，這對漂流浮標來說十分重要。采用我國自主研發(fā)的北斗通信系統(tǒng)，不僅克服使用Argos衛(wèi)星通信時限受衛(wèi)星過頂時間限制，實現(xiàn)高效傳輸，同時使數(shù)據(jù)安全性得到保證。通過對海域浮標長時間定位信息分析及多站點的漂流路徑跟蹤可以得到真實洋流走向，對于深遠海域反演旋渦信息數(shù)據(jù)也具有重要的意義。

接下來需要實現(xiàn)海洋真實環(huán)境測試，并在以后項目中完成：海洋環(huán)境下浮標系統(tǒng)正常運行時長與傳輸效率的準確數(shù)據(jù)；增加其他要素測量傳感器，如海面能見度測量、海水水質(zhì)監(jiān)測、光照等；為此浮標開發(fā)專用檢測軟件，監(jiān)測數(shù)據(jù)；驗證利用浮標姿態(tài)數(shù)據(jù)反演海流及旋渦數(shù)據(jù)的準確性。

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