一種用于海洋綜合觀測浮標的多種通信方式集成系統(tǒng)

王春曉, 王 旭, 劉長華, 賈思洋

(中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

目前, 不斷出現(xiàn)的涉及海洋氣象、海面表層、水體剖面以及海底的新型觀測技術, 由于實時通信技術手段的應用, 基本可以對海洋進行實時、連續(xù)、長期、全方位地立體監(jiān)測, 實現(xiàn)真正意義上的“透明”海洋。海洋綜合觀測浮標是一種用于實時獲取海洋氣象、水文、水質、生態(tài)、動力等參數(shù)的漂浮式自動化監(jiān)測平臺, 是隨著科技發(fā)展和海洋科學研究、環(huán)境監(jiān)測及預報的需要而迅速發(fā)展起來的新型海洋環(huán)境監(jiān)測設備, 具有實時、連續(xù)、長期、全天候和自動化等優(yōu)點, 也是當前國際、國內(nèi)主流、重要、可靠、穩(wěn)定的海洋觀測技術手段之一, 因此其技術水平的升級和研發(fā)受到世界各國的極大重視和大力發(fā)展[1-2]。

為保障觀測數(shù)據(jù)獲取的完整性, 國內(nèi)外大部分海洋綜合觀測浮標均采用GSM(Global System for Mobile Communications, 全球移動通信系統(tǒng))、高頻通信、衛(wèi)星通信、GPRS(General Packet Radio Service, 通用分組無線業(yè)務)和CDMA(Code Division Multiple Access, 碼分多址)等多種無線通信方式來實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸, 其中應用于我國近海的海洋綜合觀測浮標, 通常采用CDMA、CPRS和北斗3種通信方式[2-4]。譬如中國科學院近海海洋觀測研究網(wǎng)絡的黃海站和東海站在黃、東海海域布放的海洋綜合觀測浮標均采用了至少兩種通信方式進行優(yōu)勢互補, 距離岸邊較近的采用CDMA+GPRS的組合, 距離岸邊較遠的采用CDMA/GPRS+北斗的組合。在每一個觀測數(shù)據(jù)發(fā)送周期, 通信系統(tǒng)中的全部通信模塊均上電工作, 按相應的方式發(fā)送觀測數(shù)據(jù), 陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實時接收來自多個海洋綜合觀測浮標以各種方式發(fā)送的全部觀測數(shù)據(jù), 并對這些數(shù)據(jù)進行處理、顯示和存儲。這種通信方案的優(yōu)點是盡可能地保證觀測數(shù)據(jù)的全面完整性, 但由于各通信模塊屬于獨立運行, 缺乏統(tǒng)一管理, 因此存在重要數(shù)據(jù)缺失、相同數(shù)據(jù)重復發(fā)送、系統(tǒng)功耗較大等問題。針對上述問題, 本文設計了一種用于海洋綜合觀測浮標的多種通信方式集成系統(tǒng), 將各通信模塊進行集成管理, 在每個數(shù)據(jù)發(fā)送周期, 只選擇當前信號質量最優(yōu)的通信方式將浮標的觀測數(shù)據(jù)實時發(fā)送到陸基接收站。

1 海洋綜合觀測浮標原通信系統(tǒng)存在的不足

1.1 重要數(shù)據(jù)缺失

海洋綜合觀測浮標的觀測參數(shù)通常包括氣象(氣溫、濕度、氣壓、風速風向、能見度、雨量)、水文(波浪、剖面海流、水溫、鹽度)和水質(濁度、葉綠素、溶解氧)等等, 每個周期的數(shù)據(jù)量比較大, 而北斗一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量卻比較小, 因此在使用北斗方式進行數(shù)據(jù)傳輸時只能將一組觀測數(shù)據(jù)分成若干子包進行分時傳輸, 而當其中任何一個子包發(fā)生錯誤或丟失就會導致這組觀測數(shù)據(jù)無法使用[5]。此外, 陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)要同時接收多個浮標的觀測數(shù)據(jù), 但不同浮標的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率各不相同(1次/10 min、1次/30 min或1次/ h), 在某一時間點上(尤其是整點時刻)大量浮標同時發(fā)送數(shù)據(jù)就會造成數(shù)據(jù)接收擁塞, 甚至造成數(shù)據(jù)丟包的情況。綜合考慮上述問題, 為了保證北斗通信的暢通和有效, 使用北斗發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)分為3個子包[6], 并且不包含風、氣溫、濕度、氣壓等氣象參數(shù)的分時數(shù)據(jù), 這些分時數(shù)據(jù)只能通過CDMA或GPRS傳輸。因此, 當CDMA或GPRS信號偏弱時, 無法實時了解氣象的分時變化, 而在極端天氣和應急情況下的氣象分時數(shù)據(jù)卻尤為重要。

1.2 相同數(shù)據(jù)重復發(fā)送

當使用的各通信方式信號均比較強時, 浮標的同一組觀測數(shù)據(jù)就會重復發(fā)送, 同時接收多個浮標每種通信方式發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)會導致服務器運行緩慢, 數(shù)據(jù)接收滯后, 甚至造成系統(tǒng)死機, 多條相同的觀測數(shù)據(jù)同時也增加了數(shù)據(jù)處理、存儲和管理的工作量。

1.3 通信系統(tǒng)功耗較大

海洋綜合觀測浮標主要采用太陽能板-蓄電池聯(lián)合供電方式, 因而電力較為有限。當前的通信系統(tǒng)在每個觀測數(shù)據(jù)發(fā)送周期, 各個通信模塊均上電工作, 因此整體功耗較大。一些小型浮標由于可安裝的蓄電池容量有限, 供電能力較弱而無法使用北斗通信方式。

2 多種通信方式集成系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

浮標原通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案如圖1所示, 浮標數(shù)據(jù)采集器定時采集海洋觀測傳感器的觀測數(shù)據(jù), 然后分別傳輸給DTU(Data Transfer Unit, 無線通信網(wǎng)絡進行傳送的無線終端設備)和北斗模塊, 并通過各自的天線發(fā)送到陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)進行存儲、處理和顯示。多種通信方式集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案如圖2所標, 浮標數(shù)據(jù)采集器定時采集海洋觀測傳感器的觀測數(shù)據(jù), 然后傳輸給多種通信方式集成系統(tǒng), 該系統(tǒng)通過判斷通信信號強度選擇當前最優(yōu)的通信方式將浮標觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng), 同時還對信號強度數(shù)據(jù)和浮標觀測數(shù)據(jù)進行存儲, 為后期進行通信信號分析提供數(shù)據(jù), 并對浮標觀測原始數(shù)據(jù)進行備份。

圖1 浮標原通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案 Fig. 1 Data transmission scheme of the original buoy communication system

圖2 多種通信方式集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案 Fig. 2 Data transmission scheme of the multi-communication system

多種通信方式集成系統(tǒng)主要具備以下功能:

(1) 實時接收浮標數(shù)據(jù)采集器的觀測數(shù)據(jù)。

(2) 實時接收陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)服務器反饋的通信鏈接是否成功建立以及數(shù)據(jù)是否成功接收等重要回執(zhí)信息, 并將這些信息發(fā)送給浮標數(shù)據(jù)采集器。

(3) 實時檢測通信模塊的信號強度。

(4) 根據(jù)信號強度情況, 選擇最優(yōu)通信方式給相應的通信模塊上電并發(fā)送浮標觀測數(shù)據(jù)。

(5) 將信號強度數(shù)據(jù)以及浮標觀測數(shù)據(jù)進行存儲。

(6) 可通過相關外設進行相關參數(shù)的設置和數(shù)據(jù)下載。

(7) 預留艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測通道, 后期可增加艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測量。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 系統(tǒng)框架結構

系統(tǒng)選用超低功耗的單片機作為MCU (Microcontroller Unit, 微控制單元)構建控制模塊, 利用MCU的5個串口搭配外圍電路, 實現(xiàn)系統(tǒng)與浮標數(shù)據(jù)采集器以及各通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸, 電路板上集成了CDMA模塊和GPRS模塊, 并外接北斗一體機(圖3)。 供電模塊分別通過三極管和DC-DC芯片兩種方式給系統(tǒng)供電, 根據(jù)各單元供電需求可提供的電壓有12、9、5和3.3 V; AD模擬量接口為系統(tǒng)預留通道, 后期可根據(jù)需要采集相關傳感器的測量數(shù)據(jù)從而監(jiān)測浮標艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)。MCU選擇MICROCHIP公司新推出的型號為PIC32MXF575F512L的單片機進行系統(tǒng)開發(fā), 該芯片是性能優(yōu)良的超低功耗32位單片機, 具有豐富的外設功能部件和增強的計算性能[7]。存儲系統(tǒng)主要使用SD卡來存儲CDMA和GPRS通信信號強度數(shù)據(jù)以及從浮標數(shù)據(jù)采集器獲得的DTU數(shù)據(jù)和北斗數(shù)據(jù), 并設計了相應的文件系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)硬件框架圖 Fig. 3 Hardware frame diagram of the system

2.2.2 工作模式切換控制

系統(tǒng)使用的3種通信模塊在進行參數(shù)配置以及工作模式切換時需通過不同的軟件和各自的通道分別操作, 給系統(tǒng)的設置以及后期維護調試帶來諸多不便。針對該問題, 項目組經(jīng)過討論和測試最終選擇物理開關實現(xiàn)工作模式切換以及參數(shù)配置通道選擇的技術方案, 方便系統(tǒng)設置和調試。物理開關選用2位撥碼開關(圖4), 可以切換4種模式, 當撥碼開關的狀態(tài)為00時, 系統(tǒng)工作模式為數(shù)據(jù)傳輸模式, 即在浮標上的正常工作模式, 進行通信方式的選擇以及觀測數(shù)據(jù)的傳輸; 當撥碼開關的狀態(tài)為01時—03時, 分別為CDMA模塊、GPRS模塊和北斗模塊的配置模式, 可以通過計算機對模塊進行參數(shù)配置或檢測。

圖4 撥碼開關 Fig. 4 Dial code switch

2.2.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示, 系統(tǒng)上電后首先監(jiān)測撥碼開關狀態(tài)來判斷系統(tǒng)當前的工作模式, 如果是配置模式, 則根據(jù)撥碼開關的狀態(tài)打開對應模塊的配置通道, 此時可以使用外部計算機進行模塊的參數(shù)配置; 如果是通信模式, 首先對存儲系統(tǒng)進行初始化, 然后實時偵聽浮標數(shù)據(jù)采集器的DTU通道和北斗通道是否有數(shù)據(jù), 只要有數(shù)據(jù)就進行存儲, 并開始檢測通信模塊信號強度并進行存儲, 根據(jù)當前信號強度來選擇最優(yōu)的通信方式給相應的通信模塊上電并進行數(shù)據(jù)發(fā)送, 當確認本周期數(shù)據(jù)傳輸完成后將通信模塊斷電, 等待下個數(shù)據(jù)采集周期繼續(xù)重復上述過程, 保證陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實時接收浮標以最優(yōu)通信方式發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)。其中最優(yōu)通信方式選擇的方法如圖6所示, 如果CDMA的信號強度QC和GPRS的信號強度QG都小于閾值Q0, 則給北斗模塊上電, 并將北斗通道傳來的數(shù)據(jù)通過北斗方式進行發(fā)送; 如果QC≥QG≥Q0, 則給CDMA模塊上電, 并將DTU通道傳來的數(shù)據(jù)通過CDMA方式進行發(fā)送; 如果Q0≤QG＜QC, 則給GPRS模塊上電, 并將DTU通道傳來的數(shù)據(jù)通過GPRS方式進行發(fā)送。

圖5 多種無線通信方式集成系統(tǒng)軟件流程圖 Fig. 5 Software flowchart of the multi-communication system

圖6 最優(yōu)通信方式選擇方法 Fig. 6 Optimal communication mode selection method

表1 2018年07號浮標數(shù)據(jù)接收情況 Tab. 1 Data reception of buoy No. 07 in 2018

3 系統(tǒng)海上測試

研制完成的多種通信方式集成系統(tǒng)于2017年12月4日在中國科學院近海海洋觀測研究網(wǎng)絡黃海站的07號浮標完成集成安裝和系統(tǒng)調試, 并順利通過近岸拷機試驗。最終, 該系統(tǒng)于2017年12月14日隨浮標完成海上布放, 每半個小時發(fā)送一組觀測數(shù)據(jù)。到目前為止, 浮標已經(jīng)在海上穩(wěn)定運行超過12個月, 陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收連續(xù)完整。表1統(tǒng)計了07號浮標安裝多種通信方式集成系統(tǒng)后2018年度每個月接收數(shù)據(jù)的情況, 可以計算全年99.35%的觀測數(shù)據(jù)通過CDMA方式發(fā)送, 0.05%的觀測數(shù)據(jù)通過GPRS方式發(fā)送, 0.6%的觀測數(shù)據(jù)通過北斗方式發(fā)送。海上連續(xù)長期的試驗表明該系統(tǒng)嚴格按照設定的程序對浮標各通信方式進行管理, 并且運行穩(wěn)定可靠, 功能達到設計要求。盡管多種通信方式集成系統(tǒng)的應用增加了浮標通信系統(tǒng)額外的功耗, 但其本身的功耗相對于各個通信模塊的功耗非常低, 從而降低了浮標通信系統(tǒng)的整體功耗。經(jīng)過測試, 多種通信方式集成系統(tǒng)本身的平均功耗分別為CDMA通信模塊的23.78%, 為GPRS模塊的34.82%, 為北斗通信模塊的7.93%。結合07號浮標2018年度的數(shù)據(jù)接收情況可計算出其通信系統(tǒng)的年功耗相比安裝GPRS+CDMA的方式降低了25.75%, 相比安裝GPRS+ 北斗的方式降低了66.07%, 相比安裝CDMA+北斗的方式降低了68.76%。

4 結論

海洋綜合觀測浮標系統(tǒng)是海洋科學研究獲取海 洋數(shù)據(jù)的重要設施, 其數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)實時獲取的關鍵部分, 本文設計的多種通信方式集成系統(tǒng)重點解決了現(xiàn)有海洋綜合觀測浮標系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信存在的問題, 既保證浮標觀測數(shù)據(jù)的接收實時完整性, 又避免相同數(shù)據(jù)重復發(fā)送, 減輕陸基接收服務器數(shù)據(jù)管理、分析的工作量, 同時還降低了浮標通信系統(tǒng)的整體功耗。通過海上試驗已經(jīng)驗證該系統(tǒng)可推廣應用于我國近海各類海洋綜合觀測浮標系統(tǒng)中, 具有較好的實用價值。此外, 該系統(tǒng)還預留了浮標艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測通道, 后期配合相應的數(shù)據(jù)接收軟件, 可擴展對浮標儀器艙內(nèi)溫度、濕度以及壓力等參數(shù)進行實時監(jiān)測的功能, 確認艙內(nèi)設備和工作環(huán)境是否安全; 并且還可擴展北斗定位功能, 當浮標安裝的GPS因天線故障或信號偏弱等原因定位失敗時, 可遠程開啟北斗定位, 及時跟蹤浮標的位置信息, 提升浮標運行的安全性。