浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)研制

劉敬彪，翁 杰，于海濱

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 杭州310018)

隨著衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星遙感、水聲遙測(cè)以及數(shù)據(jù)同化等技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)已進(jìn)入從空間、沿岸、水面及水下對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)的時(shí)代。海洋浮標(biāo)是一種現(xiàn)代化的海洋觀測(cè)設(shè)施。它具有全天候、全天時(shí)穩(wěn)定可靠地收集海洋環(huán)境資料的能力，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)標(biāo)示和自動(dòng)發(fā)送。海洋浮標(biāo)與衛(wèi)星、飛機(jī)、調(diào)查船、潛水器及聲波探測(cè)設(shè)備一起，組成了現(xiàn)代海洋環(huán)境主體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為探測(cè)海洋的奧秘，立下了不朽功勛。

海洋浮標(biāo)，一般分為水上和水下兩部分，水上部分裝有多種氣象要素傳感器，分別測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓和溫度等氣象要素；水下部分有多種水文要素傳感器以及海洋環(huán)境化學(xué)參數(shù)測(cè)量傳感器，分別測(cè)量波浪、海流、潮位、海溫、鹽度、pH值、葉綠素、營(yíng)養(yǎng)鹽、濁度等。

各種傳感器將采集到的信號(hào)，通過儀器自動(dòng)處理，由發(fā)射機(jī)定時(shí)發(fā)出。地面接收站將收到的信號(hào)經(jīng)過處理后，就得到了人們所需要的資料。通過對(duì)這些資料的掌握，會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的便利。如知道了海流流向，航海時(shí)便盡可能順流而行；知道了風(fēng)暴區(qū)域，航海時(shí)則可避開繞行；知道了潮位的異常升高，便可及時(shí)防備突發(fā)事件。

海洋資料浮標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是浮標(biāo)的重要組成部分。從我國(guó)開始研制海洋資料浮標(biāo)以來，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)先后采用過多種數(shù)據(jù)通訊方式[1]，包括短波通訊、INMARSAT-C衛(wèi)星通訊以及GPRS/CDMA通訊等。各種通訊方式各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，短波通訊抗干擾能力差，誤碼率高，數(shù)據(jù)接收率低；INMARSAT-C衛(wèi)星通訊可靠性高，數(shù)據(jù)接收率達(dá)95%以上，但通訊費(fèi)用較高，不適合大數(shù)據(jù)量傳輸；GPRS/CDMA通訊費(fèi)用較低，但通訊信號(hào)受到浮標(biāo)到岸邊距離的限制。我們根據(jù)浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)要求，采用銥星數(shù)據(jù)通訊傳輸大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)資料。

本文第1節(jié)介紹系統(tǒng)組成。第2節(jié)給出電子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。第3節(jié)給出通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第4節(jié)給出控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。第5節(jié)得出結(jié)論。

1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)是海洋定點(diǎn)垂直剖面監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)還包括水下數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)的核心部分是基于ARM的嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng)的水下數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)。浮標(biāo)系統(tǒng)根據(jù)已定的協(xié)議，接收到電磁耦合模塊傳過來的數(shù)據(jù)，并保存在大容量存儲(chǔ)器中?？紤]到如果用有線通信方式，則由于通信距離不斷變化會(huì)導(dǎo)致傳輸線路設(shè)計(jì)困難、通信的可靠性都難以保障。而電磁耦合通信正是利用電磁感應(yīng)原理來傳輸數(shù)據(jù)的，它的設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單可靠，體積小，成本低，可以實(shí)現(xiàn)在水下的近距離無線傳輸。圖1是整個(gè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)工作流程圖，電磁耦合模塊包括接收和發(fā)送兩部分。

圖1 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)工作流程圖

波浪能通過錨纜傳遞轉(zhuǎn)化為垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)水下主體部分(小浮力浮球)下行的動(dòng)能。系統(tǒng)將充分利用大、小浮球的浮力慣性實(shí)現(xiàn)抽纜(相當(dāng)于水下主體部分的下行)功能，當(dāng)需上行時(shí)，只需打開鎖閥。在依靠小浮球浮力上行過程中采集各環(huán)境參數(shù)變量。

整個(gè)一次數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，送到水上通訊平臺(tái)，最后海洋環(huán)境數(shù)據(jù)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)周期為24 h，也就是每隔24 h采集各剖面環(huán)境量。垂直剖面觀測(cè)深度為300 m。整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)周期約為三個(gè)月一次。

在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是核心單元。水下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的控制塊在儀器倉內(nèi)。它負(fù)責(zé)指揮和協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分工作狀態(tài)。包括控制海洋各剖面數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)?。本文描述的水上通訊平臺(tái)的控制部分主要接收電磁耦合模塊傳過來的各個(gè)采集量，以及獲取浮標(biāo)電壓值和浮標(biāo)姿態(tài)等信息，然后通過銥星衛(wèi)星[2]發(fā)送給監(jiān)控中心。

2 電子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)采用太陽能電池和蓄電池組合供電。平臺(tái)的主體是浮標(biāo)部分。為提高可靠性，有的浮標(biāo)采用兩個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都有蓄電池和太陽能電池板，都能為整個(gè)浮標(biāo)供電。這種備份盡管不是必需的，但它提高了浮標(biāo)的可靠性等級(jí)。浮標(biāo)控制系統(tǒng)的CPU采用AT91SAM9260，一路串口按序接收電磁耦合發(fā)送模塊傳過來的各個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)，并保存在SD大容量存儲(chǔ)卡中(如圖2)。存于卡中的各路傳感器采集的數(shù)據(jù)通過銥星衛(wèi)星發(fā)送， ARM9的COM2口接銥星SBD 9601模塊，用來與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。

圖2 浮體平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，浮標(biāo)上裝有錨燈，內(nèi)有傳感器檢測(cè)光線，自動(dòng)點(diǎn)亮，給監(jiān)測(cè)帶來方便。同時(shí)CPU通過I/O獲取錨燈狀態(tài)信息。

AT91SAM9260通過自帶的A/D讀取電池的電壓值和傾角傳感器獲得的浮標(biāo)姿態(tài)信息。

浮標(biāo)上裝有GPS天線，用于定位。

3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)是為了滿足監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能及時(shí)有效地傳送給監(jiān)控中心進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)要求，本系統(tǒng)采用銥星數(shù)據(jù)通訊傳輸大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)資料。

浮標(biāo)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 浮標(biāo)通信系統(tǒng)組成

具體的衛(wèi)星通信模塊是由是由銥星公司推出9601SBD[3-4]，體 積 小， 長(zhǎng) 度、寬 度 和 厚 度 分 別 為106 mm， 56.2 mm和13 mm，重量117 g。9601不需要SIM卡，每次最多可以發(fā)送340字節(jié)信息，可以接收270 字節(jié)信息，當(dāng)有信息收到時(shí)能夠發(fā)出振鈴。工作溫度-35°～70°，工作電壓5 V。該模塊通過RS232接口實(shí)現(xiàn)SBD(突發(fā)短數(shù)據(jù))業(yè)務(wù)，默認(rèn)的波特率是19 200 bit/s，可以通過AT+IPR指令設(shè)置?？梢赃x擇的波特率bit/s范圍包括：1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400等?？蛇x數(shù)據(jù)長(zhǎng)度7位或8位，默認(rèn)為8位。其他包括一個(gè)停止位和無奇偶校驗(yàn)位。銥星SBD的待機(jī)平均電流為66 mA，信息發(fā)送中的平均電流＜=350 mA，能夠滿足海洋浮標(biāo)設(shè)備低功耗的要求。

該模塊通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，即浮標(biāo)平臺(tái)和監(jiān)控平臺(tái)各有一個(gè)9601SBD MODEN。通過發(fā)送“AT”指令來實(shí)現(xiàn)通信。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過安裝在浮標(biāo)頂端的銥星天線發(fā)射出去。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用了AT91SAM9260作為CPU，它支持主流的Linux、Windows XP等操作系統(tǒng)。目標(biāo)板上移植了Linux操作系統(tǒng)來進(jìn)行任務(wù)管理和調(diào)度，改變了傳統(tǒng)的在類似硬件平臺(tái)下采用MSDOS單用戶、單任務(wù)操作系統(tǒng)難以完成較為復(fù)雜的分布式多任務(wù)應(yīng)用的缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， Linux系統(tǒng)可以同時(shí)處理多個(gè)傳感器發(fā)送來的較為復(fù)雜的控制任務(wù)，從而提高系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度及并發(fā)處理能力。

構(gòu)成嵌入式Linux系統(tǒng)至少需要下面3個(gè)基本元素[5]：引導(dǎo)程序， Linux微內(nèi)核和初始化進(jìn)程。如果要讓它有更多的功能，還可加上文件系統(tǒng)、GUI和設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)的應(yīng)用程序，并將其放在diskonchip中啟動(dòng)。

在Linux操作系統(tǒng)下，有三類主要的設(shè)備文件類型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般緊接著發(fā)生；塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存做緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求時(shí)，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間來等待。用戶進(jìn)程通過設(shè)備文件來與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設(shè)備文件都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備。每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)， 第一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)志驅(qū)動(dòng)程序；第二個(gè)是從設(shè)備號(hào)，標(biāo)志使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到驅(qū)動(dòng)程序。

Linux操作系統(tǒng)將所有設(shè)備作為文件來處理[6]，他們可以使用文件、I/O相關(guān)函數(shù)來處理，這樣就方便了對(duì)設(shè)備的處理。例如：串口文件位于/dev目 錄下， 串 口 1 為/dev/ttyS0， 串 口 2 為/dev/ttyS1。打開串口用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)操作。如：int fd=open(Dev， O_RDWR)；Dev是設(shè)備文件，返回-1則表示打開失敗，成功則返回大于0的值。

其中幾個(gè)主要函數(shù)如下：

set_speed(fd， 115200) //設(shè)置 串口 波特 率函數(shù)， fd對(duì)應(yīng) 的串口文件

set_Parity(fd， 8， 1， 'N')” //設(shè)置 串口接 收數(shù) 據(jù)格 式， 8位 數(shù)據(jù)位， 1位停止位， 無校驗(yàn)

OpenDev("/dev/ttyS1")//打開串口1

w rite(fd， buff， nread) //往串口buff寫nread字節(jié)數(shù) 據(jù)

nread=read(fd， buff， 512)//讀串 口緩 沖區(qū)512字 節(jié)數(shù) 據(jù)， 返回讀取的實(shí)際個(gè)數(shù)

num=fwrite(buff， sizeof//往fp對(duì)應(yīng)的文件寫nread字節(jié)

(char)， nread， fp)

send_AT(AT_CMD[ 0] ， //銥星MODEN發(fā)送AT指令

iridium)

close(fd) //關(guān)閉文件(包括普通文件和設(shè)備文件)

對(duì)串口的操作[7]需要用到的頭文件有：

#include ＜stdio.h＞ //標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出定義

#include ＜fcntl.h＞ //對(duì)文件控制的函數(shù)

#include ＜stdlib.h＞ //標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫定義

#include ＜unistd.h＞ //Unix標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)定義

#include ＜sys/types.h＞//系統(tǒng)函數(shù)定義

#include ＜sys/stat.h＞ //系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)頭文件

#include ＜termios.h＞ //POSIX終端控制定義

#include ＜errno.h＞ //錯(cuò)誤號(hào)定義

#include ＜pthread.h＞ //線程庫定義

浮標(biāo)電子系統(tǒng)接收電磁耦合通信模塊(RS232)傳送過來的數(shù)據(jù)，并將傳感器采集到的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)保存到大容量的SD卡中。具體的流程圖如圖4。

圖4 浮標(biāo)電子系統(tǒng)程序流程圖

接收完水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)并保存后，打開與銥星9601SBD MODEN連接的串口。并打開保存于卡中的文件。發(fā)送AT指令，在得到應(yīng)答信號(hào)后發(fā)送數(shù)據(jù)，每次最多只能發(fā)送340字節(jié)。浮標(biāo)通信系統(tǒng)流程圖如圖5。

圖5 浮標(biāo)通信系統(tǒng)流程圖

5 結(jié)論

系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)調(diào)試助手模擬數(shù)據(jù)發(fā)送，通過電磁耦合接收、發(fā)送模塊成功將數(shù)據(jù)送到水上浮標(biāo)系統(tǒng)的ARM中并保存到大容量的SD卡中，實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)系統(tǒng)與水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送。隨后讀取文件中保存的數(shù)據(jù)，打開9601SBD MODEN，發(fā)送給另一臺(tái)PC。PC機(jī)端的9601SBD MODEN接收數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)上[8]動(dòng)態(tài)的顯示收到的數(shù)據(jù)。在水下進(jìn)行測(cè)試過程中，控制電路工作正常，水上浮體平臺(tái)數(shù)據(jù)能正常接收、存儲(chǔ)，傾角傳感器、電池電壓值能通過A/D采集。且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過銥星衛(wèi)星成功發(fā)送給監(jiān)控中心。

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