北斗海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集終端在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

屈 蕓，朱柯錦，方志偉

（北京中交通信科技有限公司，北京 100011）

1 引言

本文針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站和采集設(shè)備的現(xiàn)狀，采用我國(guó)北斗短報(bào)文技術(shù)，配合成熟的海事衛(wèi)星設(shè)備，設(shè)計(jì)了一款同時(shí)使用北斗和海事衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集終端，擁有多個(gè)發(fā)送設(shè)備，降低了使用風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性。

2 北斗海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集終端功能

2.1 數(shù)據(jù)采集功能

目前環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括七項(xiàng)：高壓電離室輻射劑量率，碘化鈉輻射劑量率，溫度，濕度，氣壓，風(fēng)速，風(fēng)向。新數(shù)據(jù)采集終端依靠12～36v直流電供電，電壓不大對(duì)人體沒有危害，可以在環(huán)境監(jiān)測(cè)站安全使用，不會(huì)對(duì)工作人員和環(huán)境產(chǎn)生危害和影響。

2.2 北斗GNSS通信功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

北斗短報(bào)文通信功能依靠的是五顆靜止軌道衛(wèi)星，范圍覆蓋亞太大部分地區(qū)，通過(guò)接收發(fā)送端的短報(bào)文數(shù)據(jù)和ID號(hào)，根據(jù)其需要將其轉(zhuǎn)發(fā)至接收端的設(shè)備中。海事衛(wèi)星系統(tǒng)是使用Inmarsat衛(wèi)星作為中繼站的船舶通信導(dǎo)航無(wú)線電通信系統(tǒng)。

北斗、GPS使用的是RNSS/RDSS模組，目前北斗短報(bào)文通信最高頻率是一分鐘一次，因?yàn)榭ǖ募?jí)別限制，北斗最大發(fā)送短報(bào)文長(zhǎng)度為90字節(jié)左右，因此我們將報(bào)文長(zhǎng)度設(shè)置為64字節(jié)，通信頻率為2 分鐘1次。

采集芯片根據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并發(fā)送至通信芯片中，通信芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)設(shè)備要求的協(xié)議格式進(jìn)行通信工作。數(shù)據(jù)發(fā)送后經(jīng)過(guò)衛(wèi)星系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至位于地面站指揮中心的各個(gè)對(duì)應(yīng)設(shè)備的接收端中，由地面站指揮中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.3 海事衛(wèi)星通信功能

海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是利用通信衛(wèi)星作為中繼站的一種船舶無(wú)線電通信系統(tǒng)。它具有全球（除南北極區(qū)外）、全時(shí)、全天候、穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量、大容量和自動(dòng)通信等顯著優(yōu)點(diǎn)，既可改善船舶營(yíng)運(yùn)和提高管理效率，而且有助于保障海上人命安全，還能應(yīng)用于陸地探險(xiǎn)等陸地通信不方便的地方。國(guó)際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（INMARSAT）是移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)（MSS）的一種。[2]

和北斗通信衛(wèi)星不同的是，海事衛(wèi)星Explorer-540設(shè)備具有上網(wǎng)功能，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心。IDP-690設(shè)備成本低，體積小，但不具有上網(wǎng)功能。由于海事衛(wèi)星工作需要流量，因此我們和北斗保持一致，選擇了相同的頻率和報(bào)文長(zhǎng)度。

3 北斗海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)方案

終端內(nèi)置采集模塊和通信模塊，外部有采集串口和通信串口，以及北斗和海事衛(wèi)星的工作使用數(shù)據(jù)接口。

（1）采集模塊。接收并解析采集接口接收到的數(shù)據(jù)，根本目前制定的協(xié)議，將高壓電離室輻射劑量率，碘化鈉輻射劑量率，溫度，濕度，氣壓，風(fēng)速，風(fēng)向等數(shù)據(jù)存入緩存中并通過(guò)模塊之間的串口傳輸至通信模塊中。

（2）通信模塊。接收來(lái)自采集模塊緩存中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同設(shè)備協(xié)議的需要，生成對(duì)應(yīng)的短報(bào)文數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)包分別通過(guò)北斗設(shè)備和海事衛(wèi)星設(shè)備根據(jù)通信地址發(fā)送到指揮中心數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（3）采集接口。采集串口通過(guò)串口調(diào)試工具，計(jì)算機(jī)連接采集串口可以修改采集設(shè)備傳輸至該設(shè)備的IP地址和端口號(hào)，通過(guò)UDP通信將數(shù)據(jù)傳輸至采集模塊中。

（4）通信接口。通信網(wǎng)口連接E-540，232接口連接北斗設(shè)備，485端口連接IDP終端，從通信模塊中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)不同的終端發(fā)送到指揮中心處理。

通信串口通過(guò)串口調(diào)試工具，計(jì)算機(jī)連接通信串口可以修改北斗設(shè)備發(fā)送目標(biāo)的ID卡號(hào)和海事衛(wèi)星設(shè)備。

4 終端軟件硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

4.1 環(huán)境數(shù)據(jù)解析

為確保通信數(shù)據(jù)完整性和正確性，環(huán)境監(jiān)測(cè)站所發(fā)送的數(shù)據(jù)都具有特殊的數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定?；诒O(jiān)測(cè)站的協(xié)議，數(shù)據(jù)采集終端必須根據(jù)協(xié)議制定解析數(shù)據(jù)的方案，數(shù)據(jù)包括包頭包尾校驗(yàn)和。如果數(shù)據(jù)包校驗(yàn)出錯(cuò)，則將數(shù)據(jù)包丟棄，不會(huì)將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)存入結(jié)構(gòu)體中。

數(shù)據(jù)包內(nèi)容含有數(shù)據(jù)類型、時(shí)間和數(shù)值三項(xiàng)內(nèi)容。時(shí)間采用時(shí)間戳記錄和傳輸，如果新時(shí)間戳的數(shù)值比舊的數(shù)值大，證明數(shù)據(jù)是新數(shù)據(jù)，則會(huì)將結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)更新為收到的數(shù)據(jù)，否則結(jié)構(gòu)體中的數(shù)據(jù)將不會(huì)被更新。

4.2 北斗數(shù)據(jù)生成

北斗數(shù)據(jù)包也有獨(dú)特的通信協(xié)議，包含指令、長(zhǎng)度、用戶地址、信息內(nèi)容和校驗(yàn)和五個(gè)部分。在數(shù)據(jù)采集終端中只使用通信申請(qǐng)，IC檢測(cè)，時(shí)間輸出三個(gè)功能。通信申請(qǐng)功能即為發(fā)送短報(bào)文的功能，需要知道對(duì)方IC地址。IC檢測(cè)功能可以獲得本機(jī)地址，獲得指揮機(jī)和一體機(jī)的地址后，才可以進(jìn)行短報(bào)文通信功能。北斗在通信申請(qǐng)功能發(fā)送后，會(huì)有反饋信息返回發(fā)送端，反饋信息正確即可證明北斗成功發(fā)送短報(bào)文數(shù)據(jù)。

4.3 定位功能

北斗設(shè)備不僅能使用短報(bào)文發(fā)送功能，同時(shí)也可以使用定位功能。通過(guò)定位功能，可以更好地確定設(shè)備被安置于哪一個(gè)監(jiān)測(cè)站中，讓用戶更方便的根據(jù)地圖對(duì)數(shù)據(jù)有一個(gè)更加直觀的了解。

4.4 重啟功能

如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常，比如長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法收到反饋信息，則數(shù)據(jù)采集終端將會(huì)重啟。這樣可以解決一部分因死機(jī)或卡頓而產(chǎn)生的無(wú)法正常發(fā)送數(shù)據(jù)包的問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前環(huán)境監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀，給出了一種通過(guò)北斗和海事衛(wèi)星為通信途徑的數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了終端的軟件和硬件設(shè)計(jì)。該終端具有功耗低、成本低、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了環(huán)境監(jiān)測(cè)站因地理位置原因和環(huán)境保護(hù)要求無(wú)法使用基站和網(wǎng)絡(luò)的不足，為環(huán)境監(jiān)測(cè)基于衛(wèi)星通信可視化提供了有力的保障。