基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

楊軍平 于曉豐 武斌 宗干 王敏

摘要：為提高我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，保障海洋環(huán)境信息安全，文章基于我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研究結(jié)果表明：基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括北斗海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)終端和海洋信息綜合服務(wù)平臺(tái)2個(gè)部分，具有實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、信息預(yù)警、電子圍欄、數(shù)據(jù)總覽和用戶管理7項(xiàng)功能;終端集成微控制單元和傳感器等模塊，平臺(tái)包括服務(wù)器等硬件和數(shù)據(jù)處理等軟件;經(jīng)實(shí)地部署和嚴(yán)格測(cè)試，系統(tǒng)功能和性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且安全、穩(wěn)定、方便和實(shí)用。

關(guān)鍵詞：短報(bào)文;傳感器;定位;通信技術(shù);數(shù)據(jù)安全

Abstract：In order to improve the technical level of marine environment monitoring and ensure the safety of marine environment information，this paper designed a marine environment monitoring system based on Beidou satellite navigation system （BDS） independently developed by China.The results showed that the marine environment monitoring system based on BDS includes Beidou marine environment monitoring terminal and marine information integrated service platform，with 7 functions of real-time positioning，real-time monitoring，data processing，information warning，electronic fence，data overview and user management.The terminal integrates micro control unit，sensors and others.The platform includes hardware such as servers and software such as data processing.The strict field test proves that the functions and performance of this system meet the design requirements，and the system is safe，stable，convenient and practical.

Key words：Short message，Sensor，Positioning，Communication technology，Data security

0 引言

隨著全球陸地資源的日益匱乏，越來(lái)越多的國(guó)家把目光投向海洋，海洋經(jīng)濟(jì)成為沿海國(guó)家經(jīng)濟(jì)的重要支柱[1]。通過(guò)實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)掌握海洋環(huán)境信息，對(duì)于海洋權(quán)益維護(hù)、海洋防災(zāi)減災(zāi)和海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有重要意義，為合理開(kāi)發(fā)利用海洋資源提供可靠的科學(xué)依據(jù)[2-3]。

目前全球海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷向智能化發(fā)展，大量智能化設(shè)備被研發(fā)和應(yīng)用，為更好地研究、開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)海洋提供更豐富的數(shù)據(jù)。我國(guó)海洋資源豐富，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有多年的研究基礎(chǔ)和技術(shù)積累，也涌現(xiàn)一批先進(jìn)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，而智能化對(duì)設(shè)備通信的穩(wěn)定性和安全性提出更高的要求。目前我國(guó)已有的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備通常采用國(guó)際海事衛(wèi)星或ARGO衛(wèi)星等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和管理，這些系統(tǒng)均由國(guó)外研發(fā)，保密性和自主性不高，不利于國(guó)家海洋安全[3-4]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有快速定位、精密授時(shí)和短報(bào)文收發(fā)等功能。其中，北斗短報(bào)文以北斗衛(wèi)星為中繼站進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的雙向通信，具有覆蓋范圍廣、無(wú)通信盲區(qū)和數(shù)據(jù)傳輸加密等優(yōu)勢(shì)，完全可以替代國(guó)外衛(wèi)星系統(tǒng)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[4-6]。

本研究將短報(bào)文通信和移動(dòng)通信相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、自動(dòng)和全天候監(jiān)測(cè)，穩(wěn)定性和安全性高。

1 系統(tǒng)功能和性能

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括北斗海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)終端和海洋信息綜合服務(wù)平臺(tái)2個(gè)部分。北斗海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)終端具有定位、通信和數(shù)據(jù)采集等功能，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)短報(bào)文或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至海洋信息綜合服務(wù)平臺(tái);平臺(tái)接收數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)并存儲(chǔ)和發(fā)送（圖1）。

系統(tǒng)主要具有7項(xiàng)功能。①實(shí)時(shí)定位：實(shí)時(shí)定位終端并在電子海圖上動(dòng)態(tài)顯示;②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、鹽度、pH值和葉綠素等多種海洋環(huán)境參數(shù)變化，尤其是水質(zhì)變化，并可根據(jù)用戶需求定制監(jiān)測(cè)內(nèi)容;③數(shù)據(jù)處理：實(shí)時(shí)和快速地解析、分析和存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù);④信息預(yù)警：當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向用戶發(fā)送預(yù)警信息，同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，預(yù)測(cè)海洋環(huán)境變化趨勢(shì)，輔助用戶識(shí)別風(fēng)險(xiǎn);⑤電子圍欄：用戶可將終端置于特定區(qū)域并通過(guò)平臺(tái)設(shè)定，如終端移出設(shè)定區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)向用戶發(fā)送警告信息;⑥數(shù)據(jù)總覽：統(tǒng)計(jì)終端在一定時(shí)間內(nèi)的位置信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息等，可對(duì)終端監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行跟蹤和回放，詳細(xì)掌握海洋環(huán)境變化規(guī)律;⑦用戶管理：個(gè)人用戶管理包括個(gè)人用戶的基本信息和權(quán)限等，設(shè)備管理包括設(shè)備的基本信息、綁定和解綁等。

北斗海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)終端和海洋信息綜合服務(wù)平臺(tái)的性能如表1和表2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 北斗海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)終端

北斗海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)終端集成微控制單元以及傳感器、北斗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、移動(dòng)通信、人-機(jī)交互和電源等模塊（圖2）。

微控制單元的主控芯片采用STM32F103R8T6，其是ST旗下常用的增強(qiáng)型系列微控制器，通?？捎糜陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制、手持設(shè)備和GPS平臺(tái)等。該芯片芯體為32位，存儲(chǔ)器容量為64 KB，最高主頻可達(dá)72 MHz，完全滿足系統(tǒng)性能需求。

移動(dòng)通信模塊采用SIM800L，其是LGA封裝的四頻GSM/GPRS模塊，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高。該模塊采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和短信等數(shù)據(jù)的傳輸，且功耗較低。

北斗模塊采用FB3511，其適用于無(wú)人區(qū)以及電力、氣象、水利、地質(zhì)和石油等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸。該模塊集成RDSS射頻收發(fā)芯片、功放芯片和基帶電路，可實(shí)現(xiàn)雙向北斗短報(bào)文通信，支持北斗或GPS單模定位以及雙模聯(lián)合定位。

傳感器模塊根據(jù)實(shí)際需求集成相關(guān)傳感器，通過(guò)預(yù)留硬件接口，可擴(kuò)展最多4個(gè)類型的傳感器。

2.2 海洋信息綜合服務(wù)平臺(tái)

為節(jié)約成本，平臺(tái)硬件采用第三方托管的形式，主要包括服務(wù)器、存儲(chǔ)器和防火墻等。①服務(wù)器采用RH5885H V3，其配置為12個(gè)英特爾至強(qiáng)E7-4850 V4處理器（主頻2.1 GHz，16核）和48個(gè)32 G的DDR4 RDIMM內(nèi)存，采用Windows Server 2008操作系統(tǒng);②存儲(chǔ)器采用Ocean Stor 5300 V3，其配置為混合閃存、30 T硬盤(pán)、32 G內(nèi)存和4端口Smart IO I/O模塊（SFP+，8 GB FC），采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng);③防火墻采用USG 6370，其配置為4G SDRAM內(nèi)存，吞吐量為4 GB/s（IPSec吞吐量為3 GB/s），具有入侵和病毒防御、數(shù)據(jù)防泄漏、上網(wǎng)行為管理和審計(jì)、基于應(yīng)用的QoS優(yōu)化、負(fù)載均衡智能策略管理以及Anti-DDoS等功能（圖3）。

平臺(tái)開(kāi)發(fā)采用B/S架構(gòu)，界面友好，方便用戶與系統(tǒng)的交互。平臺(tái)軟件包括數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、異常報(bào)警和用戶管理5個(gè)模塊。①數(shù)據(jù)處理模塊接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、分析和存儲(chǔ);②實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊在電子海圖上實(shí)時(shí)顯示終端位置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和電子圍欄等信息;③統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊可對(duì)終端的歷史軌跡進(jìn)行回放，也可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按類別或時(shí)間進(jìn)行總覽，并以圖表的形式直觀展示;④異常報(bào)警模塊對(duì)預(yù)警信息和電子圍欄等進(jìn)行設(shè)置，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)警值或終端移出電子圍欄，即自動(dòng)向用戶發(fā)送信息，經(jīng)用戶處理后自動(dòng)更新;⑤用戶管理模塊用于管理個(gè)人用戶和設(shè)備。

3 結(jié)語(yǔ)

在青島市近海海域?qū)嵉夭渴鸹诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并嚴(yán)格按照規(guī)范對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)終端和海洋信息綜合服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行多次聯(lián)調(diào)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、存儲(chǔ)、管理、查詢和顯示等，功能和性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安全、穩(wěn)定、方便和實(shí)用等特點(diǎn)，適用于對(duì)海洋環(huán)境和海水養(yǎng)殖等的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，具有廣闊的市場(chǎng)需求。與此同時(shí)，將我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用到海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，有利于我國(guó)提升海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)水平和保護(hù)海洋環(huán)境信息安全，且對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的推廣具有很好的示范意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鐵流，馮正乾，周尚.基于SIM900的無(wú)線遠(yuǎn)程海洋監(jiān)測(cè)終端機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012，35（12）：108-111.

[2] 王傳君.基于GPRS_IP通信技術(shù)的海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

[3] 王世明.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng)，2016，41（4）：102-105.

[4] 彭偉，徐俊臣，杜玉杰，等.基于北斗系統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].海洋技術(shù)，2009，28（3）：13-15.

[5] 解來(lái)濱.基于BD2和GPRS的海水多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[6] 劉丹.小型多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)研究[D].上海：上海海洋大學(xué)，2012.