基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

孔佑迪，門(mén)雅彬，齊占輝，顧季源

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112)

基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

孔佑迪，門(mén)雅彬，齊占輝，顧季源

(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112)

為克服目前海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備在應(yīng)用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的區(qū)域限制和Argos衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性限制，設(shè)計(jì)了基于銥星通信系統(tǒng)，并應(yīng)用于海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的漂流浮標(biāo)。浮標(biāo)采用C8051F單片機(jī)作為控制核心，利用HD—2005型便攜式χ-γ劑量率儀和海水溫鹽深測(cè)量?jī)x等作為傳感器，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)銥星突發(fā)短數(shù)據(jù)終端模塊9602上傳至銥星通信系統(tǒng)指定郵箱，或反向傳送控制命令。浮標(biāo)通過(guò)海上模擬實(shí)驗(yàn)獲得了較好的效果，初步證明了該設(shè)計(jì)方案滿足低功耗實(shí)時(shí)傳輸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的要求。

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè);銥星通信;終端模塊9602;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸

0 引言

核輻射事故的突發(fā)性和擴(kuò)散性嚴(yán)重威脅到了國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全[1]。2011年 3月 11日，發(fā)生于日本東北地區(qū)宮城縣北部的9級(jí)地震引發(fā)海嘯，地震和海嘯造成了福島核電站的重大核泄漏事故，導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)被釋放到了周邊環(huán)境中，致使日本損失巨大[2]，事故也引起了我國(guó)政府和人民的高度關(guān)注。

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的海洋監(jiān)測(cè)儀器使用衛(wèi)星通信技術(shù)來(lái)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，目前正在運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有Argos系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和銥星系統(tǒng)等。

為研究福島核事故對(duì)西太平洋海洋環(huán)境的影響，利用漂流浮標(biāo)開(kāi)展了海洋環(huán)境γ劑量率的監(jiān)測(cè)和研究，但由于該搭載平臺(tái)原使用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)區(qū)域受到北斗衛(wèi)星通信范圍的限制，導(dǎo)致該系統(tǒng)在西太平洋海域不能覆蓋。另外，因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)采用電池供電，而北斗衛(wèi)星通信模塊發(fā)射電流較大(約3 A)，所以功耗較高。如改為Argos衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性又受到限制，需在衛(wèi)星過(guò)頂后才能接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且需應(yīng)用三代以后的產(chǎn)品，才能構(gòu)成雙向鏈路[3]。

因此，本文提出設(shè)計(jì)基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，以滿足海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)對(duì)范圍和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。

1 海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)總體結(jié)構(gòu)

海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)投放后，即自動(dòng)展開(kāi)進(jìn)入工作狀態(tài)開(kāi)始在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量海洋輻射總劑量和其他海洋環(huán)境參數(shù)(溫度、鹽度、深度等)，并監(jiān)控浮標(biāo)的工作狀態(tài)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)銥星通信發(fā)送至用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心。

該浮標(biāo)的總體構(gòu)成如圖1所示。主要由監(jiān)控子系統(tǒng)、銥星通信子系統(tǒng)和用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心三部分構(gòu)成，其中監(jiān)控子系統(tǒng)的測(cè)量控制由傳感器、GPS模塊、信息采集、信息處理、供電電源和銥星突發(fā)短數(shù)據(jù)(Short Burst Data，SBD)終端模塊9602等部分組成。GPS模塊安裝在浮標(biāo)內(nèi)部，以獲得海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的實(shí)時(shí)位置。傳感器采用 HD—2005型便攜式 χ-γ劑量率儀和海水溫鹽深測(cè)量?jī)x等，安裝于浮標(biāo)內(nèi)部水下位置。信息采集單元實(shí)時(shí)采集的浮標(biāo)位置、海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)等信息，通過(guò) UART傳輸至信息處理單元，對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)。

圖1 海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)總體結(jié)構(gòu)圖

然后通過(guò)銥星SBD終端模塊 9602以Email的形式發(fā)送至郵箱，用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心收取Email獲取在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和GPS定位信息等，監(jiān)控浮標(biāo)工作狀態(tài)，并通過(guò)Email反向發(fā)送控制命令，設(shè)置浮標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間，控制浮標(biāo)的工作時(shí)間間隔等。

2 監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 供電電源模塊

轉(zhuǎn)染24 h后，細(xì)胞在RIPA緩沖液中裂解。蛋白質(zhì)通過(guò)10% SDS-PAGE加載和分離，并轉(zhuǎn)移到PVDF膜(MiLople，Bead Foad，MA，美國(guó))。在4℃下，用第一抗體孵育膜，然后用HRP標(biāo)記的二次抗體在37℃孵育2 h，ECL作為底物進(jìn)行顯色，用β-actin作為內(nèi)參。

由于海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)屬于機(jī)動(dòng)應(yīng)急性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，投放前處于非工作狀態(tài)，而且在工作時(shí)也處于間歇工作方式。為了防止電池在處于長(zhǎng)期不工作狀態(tài)時(shí)開(kāi)機(jī)出現(xiàn)電壓滯后現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的正常工作，而且考慮電池的安全性，系統(tǒng)的供電電池采用具有大電流輸出能力強(qiáng)、容量大、體積小、安全性高等特點(diǎn)的鋰錳電池，通過(guò)計(jì)算可以驗(yàn)證，電池組能滿足浮標(biāo)工作要求，確保浮標(biāo)工作正常。

2.1.2 主控制器

浮標(biāo)的主控制器采用 Silicon Laboratories公司推出的C8051F020。芯片采用 Silabs公司的 CIP-51內(nèi)核，兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)，是能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。片內(nèi)具有 22個(gè)中斷源、7個(gè)復(fù)位源、1個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)鐘發(fā)生器、5個(gè)通用的16位定時(shí)器和2個(gè)全雙工UART串行接口等豐富資源，能很好地實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的獲取、分析及處理并完成銥星通信任務(wù)。主控制器與銥星SBD終端模塊9602通過(guò)UART0連接。

2.1.3 GPS模塊

浮標(biāo)的GPS模塊采用達(dá)伽馬GPS模塊SR-87，該模塊使用高靈敏度且低功耗的SIRF III芯片組，冷啟動(dòng)時(shí)間短，可同時(shí)追蹤多達(dá)20顆衛(wèi)星，定位精度要優(yōu)于利用銥星 SBD終端模塊 9602測(cè)得的結(jié)果，且導(dǎo)航更新速率快，非常適用于浮標(biāo)的定位服務(wù)和銥星通信任務(wù)。GPS模塊與主控制器通過(guò)串口連接。

2.1.4 海洋輻射劑量傳感器模塊

浮標(biāo)的海洋輻射劑量傳感器模塊采用HD—2005型便攜式χ-γ劑量率儀，由探測(cè)器和控制系統(tǒng)兩部分組成。探測(cè)器包括閃爍體、I-F變換器和光電倍增管;控制系統(tǒng)由電源模塊、串口通信模塊和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理模塊等組成。具有探測(cè)器靈敏度高，能量響應(yīng)及角響應(yīng)好，功耗低，體積小，重量輕，鋰、干電池兩用，能直接給出測(cè)量結(jié)果，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。海洋輻射劑量傳感器模塊與主控制器通過(guò)串口連接。

2.1.5 銥星通信模塊

浮標(biāo)的銥星通信模塊采用由銥星公司推出的銥星SBD終端模塊 9602，是一款定牌生產(chǎn)合作產(chǎn)品(Origin Entrusted Manufacture，OEM)，僅能應(yīng)用于銥星SBD業(yè)務(wù)，體積小，其長(zhǎng)度、寬度和厚度分別是41 mm、45 mm和13 mm，重量輕(僅為 3 g)。采用數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)短數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟BD業(yè)務(wù)，是銥星公司利用銥星全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋等優(yōu)勢(shì)提供的突發(fā)短數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，通信成本和費(fèi)用適中，主要用于區(qū)域自動(dòng)化和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)跟蹤的應(yīng)用開(kāi)發(fā)[6]。針對(duì)于本浮標(biāo)特殊的投放海域，利用銥星SBD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是較優(yōu)的選擇。

銥星SBD終端模塊9602的SBD業(yè)務(wù)通過(guò)RS-232C接口實(shí)現(xiàn)，波特率默認(rèn)為19 200 bit/s。該模塊每次最多接收270 B數(shù)據(jù)或發(fā)送340 B數(shù)據(jù)，且無(wú)須安裝SIM卡，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收時(shí)會(huì)發(fā)出振鈴。該模塊平均待機(jī)電流為45 mA，銥星 SBD數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)的平均電流分別為195 mA和 45 mA[7]。用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心利用銥星 SBD終端模塊9602，通過(guò)銥星通信網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控子系統(tǒng)的工作時(shí)序如圖2所示。

(1)工作時(shí)，主控制板每 1小時(shí)工作 1次，每次工作5 min(整點(diǎn)前3 min，整點(diǎn)后2 min)。

(2)GPS接收器受調(diào)度控制，每次加電后工作 2 min (整點(diǎn)前后各1 min)。

(3)海洋輻射劑量傳感器受調(diào)度控制，每次加電后工作5 min(整點(diǎn)前3 min，整點(diǎn)后2 min)。

(4)銥星通信受調(diào)度控制，每次加電后工作1 min(整點(diǎn)后1 min)。

圖2 監(jiān)控子系統(tǒng)的工作流程圖

3 銥星通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件接口設(shè)計(jì)

由于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平與TTL數(shù)字電路邏輯電平不兼容，銥星SBD終端模塊9602的通信接口在采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，硬件電路連接首先要進(jìn)行通信接口電平轉(zhuǎn)換[8]。為實(shí)現(xiàn)RS-232C電平轉(zhuǎn)換，接口器件采用Maxim公司的MAX3232E芯片，它是一款低功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)250 kb/s、擁有 2路發(fā)送器和 2路接收器的電平轉(zhuǎn)換芯片。浮標(biāo)銥星通信子系統(tǒng)的硬件接口電路如圖3所示。

圖3 銥星SBD終端模塊9602的硬件接口示意圖

3.2 銥星SBD通信的軟件設(shè)計(jì)

銥星SBD通信的軟件設(shè)計(jì)核心是對(duì)銥星 SBD終端模塊9602驅(qū)動(dòng)程序的研發(fā)，如圖4所示，以銥星SBD數(shù)據(jù)傳輸主程序流程為例，說(shuō)明銥星SBD通信的軟件實(shí)現(xiàn)。該浮標(biāo)中銥星SBD通信進(jìn)行單次數(shù)據(jù)傳輸是按照?qǐng)D4所示命令步驟完成的。

4 用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心功能說(shuō)明

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)Email的方式，在用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心與地面銥星SBD關(guān)口站數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。銥星SBD關(guān)口站數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)接收SBD數(shù)據(jù)以后，根據(jù)該SBD數(shù)據(jù)中的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備身份證號(hào)(International Mobile Equipment Identity，IMEI)，利用銥星通信網(wǎng)絡(luò)，以Email附件的形式發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至該IMEI號(hào)綁定的電子郵箱[9]。用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心通過(guò)該 IMEI號(hào)綁定的電子郵箱，利用銥星通信網(wǎng)絡(luò)，以 Email附件的形式發(fā)送命令內(nèi)容至銥星公司用于接收銥星控制命令的郵箱：data@sbd.iridium.com。如果整個(gè)操作過(guò)程無(wú)異常，會(huì)收到來(lái)自sbdservice@sbd.iridium.com的回復(fù)Email，說(shuō)明Email發(fā)送成功，銥星 SBD關(guān)口站數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送命令至銥星SBD終端模塊 9602，該模塊會(huì)發(fā)出振鈴，向主控制器提示有命令到達(dá)。利用銥星SBD終端模塊9602進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)應(yīng)用監(jiān)控中心與浮標(biāo)之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。

圖4 銥星SBD數(shù)據(jù)傳輸流程圖

5 海上模擬試驗(yàn)結(jié)果

基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)搭載調(diào)查船，于2014年10月15日12點(diǎn)～2014年10月19日12點(diǎn)在南海進(jìn)行了海上模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)海況為東北風(fēng)5級(jí)，浪高2.5 m。用戶(hù)應(yīng)收數(shù)據(jù)96條，實(shí)收96條。隨機(jī)選取Email附件中部分遠(yuǎn)海走航實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 遠(yuǎn)海走航測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文針對(duì)目前海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備存在的監(jiān)控區(qū)域有限和實(shí)時(shí)性通信限制等問(wèn)題，利用控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，擴(kuò)大了海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的監(jiān)控范圍。實(shí)驗(yàn)表明，浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)相關(guān)海域海洋輻射總劑量等海洋環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通信狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收率高，達(dá)到了低功耗實(shí)時(shí)傳輸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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The on-line monitoring system of marine environment based on iridium satellite communication

Kong Youdi，Men Yabin，Qi Zhanhui，Gu Jiyuan
(National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China)

In order to overcome the area restrictions of beidou satellite communication system and the real-time constraints of Argos satellite communication system which are used in marine environment online monitoring instruments and equipment，a drifting buoy based on iridium satellite communication system is designed to conduct daily online marine environmental monitoring.A C8051F MCU is used as control core in the buoy.The HD-2005 portable χ-γ rays dose rate instrument and Conductivity-Temperature-Depth(CTD)are used as sensors to monitor marine environment in real-time.The measured data is temporarily cached in the iridium Short Burst Data(SBD)terminal block 9602 through the serial port and then the cached data in the terminal block is passed to the specified mailbox of iridium satellite communication system.What's more，the instructions could be sent to the buoy through the terminal block by the monitoring center.Better result is achieved by the marine simulation experiment.The preliminary results demonstrate the initial design meets the requirements of low power consumption and real-time marine environmental data transmission，with high reading success rate and good communication effect.

marine environmental monitoring;iridium satellite communication;terminal block 9602;real-time data transmission

TN927;TP27

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.007

孔佑迪，門(mén)雅彬，齊占輝，等.基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(8)：27-29，33.

英文引用格式:Kong Youdi，Men Yabin，Qi Zhanhui，et al.The on-line monitoring system of marine environment based on iridium satellite communication[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：27-29，33.

孔佑迪(1988-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)、海洋觀測(cè)技術(shù)，E-mail：kongyoudi13@mails.ucas.ac.cn。

門(mén)雅彬(1977-)，男，碩士研究生，研究員，主要研究方向：海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、數(shù)據(jù)采集與處理。

齊占輝(1979-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信、海洋觀測(cè)技術(shù)。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41406114);天津市青年基金項(xiàng)目(12JCQNJC02400);天津市自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(13JCQNJC03800)