金槍魚電浮標衛(wèi)星通訊與數(shù)據(jù)壓縮實現(xiàn)

倪漢華， 胡佩玉， 湯濤林， 諶志新， 江 濤

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

金槍魚電浮標衛(wèi)星通訊與數(shù)據(jù)壓縮實現(xiàn)

倪漢華， 胡佩玉， 湯濤林， 諶志新， 江 濤

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

針對目前海上漁船與流放在海面的浮標遠距離通訊傳輸時存在信息易丟失、通訊費用高以及數(shù)據(jù)顯示終端不夠友好等諸多問題，對衛(wèi)星通訊終端(IDP)的數(shù)據(jù)結構與哈夫曼壓縮算法展開研究。采用圖像分級式哈夫曼編碼壓縮方法，利用衛(wèi)星信號收發(fā)服務器提供中轉(zhuǎn)，對衛(wèi)星回傳的40組典型數(shù)據(jù)進行編碼解碼試驗。結果顯示，通訊數(shù)據(jù)流量最高壓縮比達到0.58，平均節(jié)省通訊成本40%，客戶端人機界面友好，實現(xiàn)衛(wèi)星定位與浮標各項參數(shù)的實時顯示，控制命令延遲時間僅為5 s。最終將壓縮算法部署在衛(wèi)星通訊終端并實時接收遠程數(shù)據(jù)后，控制命令收發(fā)數(shù)據(jù)包完整、無丟幀，聲吶探測圖像清晰可辨，數(shù)據(jù)包壓縮效果顯著，達到了預期效果。此浮標已經(jīng)應用至南海部分金槍魚圍網(wǎng)漁船，漁船可以通過船載客戶端與浮標實現(xiàn)有效通訊并實時接收金槍魚魚情信息，通訊成本在可接受范圍內(nèi)。

浮標；衛(wèi)星通訊；哈夫曼編碼；數(shù)據(jù)壓縮

金槍魚資源探捕能力是反映國家漁業(yè)科技實力的一個重要方面。西班牙 Zunibal公司開發(fā)的金槍魚跟蹤浮標系統(tǒng)，能夠利用衛(wèi)星在世界范圍內(nèi)獲取到海洋魚群信息，可實現(xiàn)浮標方位、海水流速、水溫等參數(shù)的實時采集；同時浮標上帶有聲納裝置，可顯示金槍魚魚群的詳細信息，并全天候進行數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。由于其英文操作界面、繁瑣的衛(wèi)星搜尋與設置步驟等原因，在國內(nèi)的應用不多。美、法等國于1998年建立了基于全球海洋觀測網(wǎng)(ARGO)的浮標觀測系統(tǒng)，目前已經(jīng)可以快速、準確、大范圍地收集全球海洋上層的海水溫度、鹽度剖面信息數(shù)據(jù)等[1-5]，但因設備價格高、受進口約束等因素影響，在國內(nèi)實際應用也不多。國內(nèi)也有相關產(chǎn)品已經(jīng)研發(fā)成功并投入使用，但總體上存在浮標能耗高、殼體大、通訊數(shù)據(jù)傳輸不及時、信息丟失、通訊費用高以及數(shù)據(jù)顯示終端不夠友好等諸多問題[6]。

本文研究的浮標系統(tǒng)主要包括聲納系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)和終端顯示系統(tǒng)。在前期研發(fā)中，聲納探測系統(tǒng)已經(jīng)形成比較成熟的應用方案，通過衛(wèi)星通訊的數(shù)據(jù)也能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁客戶端瀏覽[12]。然而在實際應用中，卻存在著通訊數(shù)據(jù)傳輸與顯示延遲、聲納數(shù)據(jù)丟包等一些問題，同時也面臨衛(wèi)星通訊費用高的老問題。

1 系統(tǒng)及通訊設計

通過電子浮標獲取的海洋環(huán)境信息以及魚群生物量信息，無論采用哪種科學探測方法[7-11]，均必須通過衛(wèi)星遠傳系統(tǒng)傳送至用戶客戶端，并最終在漁業(yè)現(xiàn)場顯示，以提高作業(yè)效率。由于國內(nèi)通行的移動通訊系統(tǒng)無法在海洋環(huán)境使用，因此通行的做法是使用國際海事衛(wèi)星通訊系統(tǒng)[13-15]，利用海事衛(wèi)星與分散在各個海區(qū)的浮標進行實時通訊，并將數(shù)據(jù)傳送至服務商提供的網(wǎng)關服務器，服務商將加密的數(shù)據(jù)解析后上傳至互聯(lián)網(wǎng)[16]，這樣世界各地的通訊終端就能夠通過用戶名與密碼接入網(wǎng)關收發(fā)各自的數(shù)據(jù)。

1.1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的整體設計流程如圖1所示。利用SkyWave IsatDate提供的全球化雙向通訊衛(wèi)星系統(tǒng)，通過自由編程實現(xiàn)可變數(shù)據(jù)量的實時傳送，同時支持多點廣播傳送。移動設備通過模塊自帶的微處理器和衛(wèi)星天線將數(shù)據(jù)發(fā)送至衛(wèi)星，衛(wèi)星將中轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)傳送至地面收發(fā)站后送給IsatDate網(wǎng)關，網(wǎng)關即可以通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布數(shù)據(jù)，PC客戶端可以在世界上任何具有互聯(lián)網(wǎng)連接的設備上訪問數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of data communication system

采用的衛(wèi)星通訊終端是SkyWave IDP690。IDP模塊和包括聲納系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)在內(nèi)的硬件系統(tǒng)集成后封裝在圓形外殼中[10]。移動終端模塊即為IDP690模塊，帶有GPS接收器，具有嵌入式可編程微控制器，配有高性能天線，并提供完整的PC軟件Traffic View。由于該軟件靈活性不強，而且每次發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)量比較大，導致通訊成本上升。通過對衛(wèi)星模塊進行自由編程，重新編寫終端顯控軟件，從而實現(xiàn)軟件的個性化定制功能，以降低通訊成本。

IDP模塊芯片的編程控制是基于Lua腳本語言系統(tǒng)編程實現(xiàn)，而客戶端的硬件通訊接口是標準串口，遵循232/485接口協(xié)議。為了能夠自由控制數(shù)據(jù)收發(fā)和終端顯示，需要對Lua腳本語言以及IDP模塊衛(wèi)星數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議展開研究。

1.2 數(shù)據(jù)通訊設計

Lua腳本語言內(nèi)核極小，完全遵循C語言的標準而編寫，可以跨平臺運行，在所有操作系統(tǒng)都可以編譯實現(xiàn)。程序的運行可以直接應用交互模式實現(xiàn)，是所有腳本語言中運行速度最快、效率最高的，最終編寫的腳本直接下載至衛(wèi)星模塊存儲器就可以運行。

通過對衛(wèi)星通訊模塊的深入研究，發(fā)現(xiàn)IDP690模塊中已經(jīng)集成了兩類基于Lua腳本系統(tǒng)的程序服務區(qū)，分為核心服務區(qū)和用戶服務區(qū)。核心服務區(qū)主要提供基本的數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲器訪問、GPS數(shù)據(jù)請求等基于硬件底層的功能性函數(shù)模塊，而用戶服務區(qū)則可以由客戶自行編寫擴展程序并嵌入到Lua腳本系統(tǒng)，這樣用戶便能夠?qū)崿F(xiàn)最終的軟件自定義，實現(xiàn)更有針對性的需求和功能。在利用用戶服務區(qū)編程時只需調(diào)用腳本框架中已經(jīng)定義好的功能函數(shù)就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和解析等功能。

將需要收發(fā)的數(shù)據(jù)按照功能塊分類，包括各類傳感器返回參數(shù)、GPS定位信息、防盜報警信息、上位機控制信息以及聲納探測圖像信息[12]，利用固定數(shù)據(jù)協(xié)議將這些信息打包后進行傳送，就能夠?qū)崿F(xiàn)遠端衛(wèi)星通訊。

如圖2所示，首先利用系統(tǒng)級連接開始函數(shù)以獨占模式連接串口，并對串口進行相關配置，此時串口的操作者只能有一個，否則會導致錯誤；然后將需要發(fā)送的消息進行數(shù)據(jù)壓縮后傳入消息隊列等待響應，此時利用事件等待函數(shù)創(chuàng)建一個循環(huán)重復查詢是否觸發(fā)事件結構，當觸發(fā)事件后即調(diào)入子程序?qū)κ录嵤╉憫?，將壓縮打包后的數(shù)據(jù)輸出至串口發(fā)送出去。其中比較重要的一點是，該循環(huán)的周期決定了數(shù)據(jù)收發(fā)頻率，對于溫度和GPS定位數(shù)據(jù)等變化速率較慢的數(shù)據(jù)，將其放入一個慢速循環(huán)的發(fā)送隊列，而對于報警和上位機控制信號等需要及時響應的信息，將其放入一個快速循環(huán)發(fā)送隊列，這種區(qū)別式的信息傳送機制也在一定程度上避免了通訊流量的浪費。當收到上位機傳送過來低功耗靜默命令后，上述數(shù)據(jù)傳送循環(huán)結束，此時利用串口結束函數(shù)將串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)清除，避免數(shù)據(jù)溢出。整個通訊流程結束，然后利用系統(tǒng)級結束函數(shù)將打開的串口連接關閉掉，否則可能會有無效的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，造成通訊費用的浪費。

圖2 數(shù)據(jù)通訊流程圖Fig.2 Flow diagram of data communication

處于低功耗靜默模式的程序會暫停所有硬件和軟件功能，在3 h后會再次查詢是否有啟動命令，如果沒有，將再次靜默3 h。如此設計軟件的目的是為了減少系統(tǒng)功耗，提高浮標系統(tǒng)待機時間。

2 通訊協(xié)議與數(shù)據(jù)壓縮

在整個衛(wèi)星通訊過程中，通信服務商會對通過衛(wèi)星終端發(fā)送的數(shù)據(jù)按照字節(jié)數(shù)的多少進行收費，并且價格非常昂貴。在以往的浮標應用中，漁業(yè)從業(yè)者對衛(wèi)星數(shù)據(jù)收發(fā)產(chǎn)生的通訊成本比較敏感，他們希望通過盡可能低的成本獲取更多有效的浮標信息量，這種要求是可以實現(xiàn)的。因為通訊服務商提供的軟件不太會考慮精簡數(shù)據(jù)的流量，甚至有可能會為了提供所謂更多的信息而增加不必要的數(shù)據(jù)通訊工作，這樣反而會增加數(shù)據(jù)流量。而通過研究底層的通訊協(xié)議并實施一定的數(shù)據(jù)壓縮，則完全可以實現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)消費。

2.1 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

IDP690模塊在RS232協(xié)議基礎上進行了數(shù)據(jù)段的定制，并將它稱為DMR通訊協(xié)議，通過解析得到的數(shù)據(jù)結構如圖3所示。

圖3 DMR通訊協(xié)議Fig.3 Communication protocol

比較重要的是Checksum字段，此字段用來對數(shù)據(jù)的完整性進行校驗，如果校驗不正確將丟棄該數(shù)據(jù)，以免錯誤的數(shù)據(jù)收發(fā)造成不可預期的后果，校驗公式如下：

C=65 535-(P+L+M1+M2+…+Mn)

(1)

式中：C—Checksum校驗和；P—Prefix前綴數(shù)值；L—LengthByte數(shù)據(jù)字節(jié)長度；M1、M2…Mn—MessageByte1消息字節(jié)長度，所有數(shù)據(jù)均無量綱，由十六進制數(shù)值表示。

綜上，需要發(fā)送聲納探測數(shù)據(jù)時只需向串口端發(fā)送如下字符串(十六進制)即可：01 03 01 00 D6 02 00 7F 01 00 (聲納數(shù)據(jù)) FE 78 04，這樣就能夠完成一段聲納數(shù)據(jù)的衛(wèi)星傳送過程，然后在客戶端完成對數(shù)據(jù)的解析與顯示，就能得到需要的定制信息。

2.2 數(shù)據(jù)編碼壓縮

聲納數(shù)據(jù)最終會解析成圖像信息，信息量越大，導致的通訊成本越高，因此對數(shù)據(jù)進行壓縮將是這里的研究重點。

傳統(tǒng)的二進制編碼對0～9每一個數(shù)字都采用8位二進制編碼對應表示[17]，如果重新編碼后針對每一組聲納數(shù)據(jù)都進行一次重新編碼可以最大限度地對數(shù)據(jù)做精準改編，而動態(tài)哈夫曼編碼就是在每次傳送數(shù)據(jù)之前都進行一次重新編碼，但這樣需要耗費的運算開銷比較大而且運算時間較長，考慮到功耗限制的板載系統(tǒng)的單片機運算能力有限，無法對采集的大量數(shù)據(jù)進行低功耗預處理，所以最終采用了經(jīng)典的哈夫曼固定編碼壓縮算法，此算法的思想是通過一組固定編碼利用較少的二進制位來表示一些經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，而用較多的二進制位來表示那些不常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)[18]，這樣便可以節(jié)省數(shù)據(jù)空間，完成數(shù)據(jù)壓縮。

3 結果與討論

3.1 壓縮測試結果

聲納的探測數(shù)據(jù)在進行圖像轉(zhuǎn)換時，會將數(shù)據(jù)計算后轉(zhuǎn)換成不同級別的對應顏色塊，并隨著時間推移將色塊移動刷新，將藍色、綠色、黃色、褐色、粉色、紅色6種顏色分為10種級別的灰度，將不同目標強度用不同的色塊來顯示(圖4)。

圖4 壓縮前后數(shù)據(jù)圖像對比圖Fig.4 Data images contrast before and after compression

由于強度值從小值到大值出現(xiàn)的概率會逐漸減小，能量大部分集中在低強度顯示范圍，正好吻合哈夫曼編碼思想。選取表征海水深度50 m范圍的聲納數(shù)據(jù)進行測試。深度分辨率為0.05 m，相當于在每一列圖像中每隔5 cm出現(xiàn)一個表征水下反射信號強度的色塊，而每一幀圖像由連續(xù)12列色塊數(shù)據(jù)組成，這樣每一幀圖像需要呈現(xiàn)12 000個色塊數(shù)據(jù)，這一組數(shù)據(jù)組成二維數(shù)組后存儲在PC機中，通過離散余弦變換(DCT)對能量進行集中化處理并量化，利用量化后的結果與參考系數(shù)的差值進行哈夫曼編碼[19]。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后，將10個字符重新編碼(表1)，采用統(tǒng)一的編碼表，在數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮兩端同時使用。

表1 哈夫曼編碼表

圖4中出現(xiàn)概率最大的為深藍色色塊，用0(10)表示，其次為淺藍色，用1(1110)表示，依次類推，根據(jù)出現(xiàn)的頻率依次形成了哈夫曼編碼樹[20]，在數(shù)據(jù)接收端對每個字節(jié)的二進制碼進行掃描。因為編碼都是雙數(shù)二進制出現(xiàn)，采用2位二進制掃描方式解析出對應的符號后，再還原成對應的信息數(shù)據(jù)，就可以在客戶端[21]以圖像顯示。

利用表1列出的同一組編碼和對應的壓縮算法，對抽取的40組回放聲納數(shù)據(jù)實施壓縮后，統(tǒng)計各自的數(shù)據(jù)二進制位占用情況，最終統(tǒng)計結果顯示，數(shù)據(jù)壓縮率最高可達42%。圖5顯示了每4組壓縮比數(shù)據(jù)平均后的40組統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比情況。

圖5 壓縮前后聲納數(shù)據(jù)量對比Fig.5 Data volume comparison before and after sonar data compression

3.2 討論

從數(shù)據(jù)的壓縮量可以得出，壓縮比均在0.85以下，最高0.83，最低0.58，平均0.64。從圖4的壓縮效果對比圖可見，魚群信號特征非常明顯。數(shù)據(jù)壓縮前(左圖)，目標強度較強的魚群集中在圖像中間部分，且呈連續(xù)分步形態(tài)，表示魚群比較集中穩(wěn)定；數(shù)據(jù)壓縮后(右圖)與左圖用肉眼幾乎無法分辨出差別，圖像壓縮后的數(shù)據(jù)量損失對判斷魚群信息而言基本可以忽略，稍微具備一些聲納識圖經(jīng)驗的漁民就能夠很容易地從右圖看出所需要的相關信息。必須指出的是，圖4的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過哈夫曼編碼后的壓縮比是0.71，并不是壓縮最好的一次，而是選取一組中間狀態(tài)的數(shù)據(jù)作為個例。

從數(shù)據(jù)壓縮的穩(wěn)定性來講，之所以會出現(xiàn)如圖5所示壓縮比不穩(wěn)定的情況，推測原因可能是因為每次需要壓縮的二維數(shù)組的數(shù)據(jù)值不同，能量分布集中度不相等，而采用的哈夫曼編碼樹卻是同一組編碼，因此對數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻次估算產(chǎn)生了誤差[22-24]。

為了驗證推測結論，取10組聲納數(shù)據(jù)進行動態(tài)哈夫曼編碼，然后依次進行壓縮測試，結果得到的平均壓縮比值為0.56，接近表1中哈夫曼編碼的數(shù)據(jù)壓縮比。由此可見，如果對硬件功耗要求有所降低，并采用更高速和存儲容量更高的處理器芯片，再實時地對每次傳送的數(shù)據(jù)進行重新編碼，將有助于解決壓縮率不穩(wěn)定的問題。但是，在浮標主芯片已經(jīng)集成了諸多功能的前提下，為了保證多任務并行處理并降低系統(tǒng)功耗、保持信標長時間不間斷工作，必須做出一定的妥協(xié)。就目前這樣的壓縮比，對海上通訊來講，可以節(jié)省相當大的一筆費用，同時對上傳至衛(wèi)星的數(shù)據(jù)選擇不同的更新速率，實施分類傳輸后，平均通訊成本已經(jīng)可以減少將近40%。

另外由于上述的編碼壓縮均是在對水聲回波信號強度做了10個不同等級的量化后實施的，而目標強度的參考是金槍魚的目標強度，量化誤差自然會造成對水下目標的估計誤差，因此不太容易將金槍魚與其它目標作有效區(qū)分。

4 結論

本研究在完成硬件設備的基礎上，通過對IDP模塊的衛(wèi)星通訊協(xié)議進行剖析，研究實踐了哈夫曼算法在漁用聲納數(shù)據(jù)壓縮中的應用，通過最終的數(shù)據(jù)包測算，統(tǒng)計出數(shù)據(jù)的壓縮率最高可達到0.58，極大地壓縮了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的通訊成本，解決了衛(wèi)星電浮標通訊費用昂貴的難題。并針對性地開發(fā)了定制化的軟件客戶端。客戶端界面美觀、友好地實現(xiàn)了浮標各項數(shù)據(jù)的實時顯示，能滿足漁民的現(xiàn)場作業(yè)需求，實現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)化漁用浮標的更新迭代，并可以此為基礎，進一步優(yōu)化研究多參數(shù)海洋智能浮標系統(tǒng)。

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Realization of satellite communication and data compression of electric buoy for tuna

NI Hanhua，HU Peiyu，TANG Taolin，SHEN Zhixin，JIANG Tao

(Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Fishery Machinery and Instrument Research Institute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

Currently, during the long-distance communication between the sea fishing vessels and the buoys on the sea, problems exist such as easy missing of information, high cost, unfriendly communication software interface, and so on. In order to solve these problems, the structure of IDP related communication satellite data and Huffman coding were studied in this paper. The Image classification method of Huffman encoding compression was used to code 40 sets of typical data that were transited from satellite signal server. The results showed that the highest compression rate for communication data reached 0.58 and 40% of cost was saved. As the system integrated satellite positioning, particular data of buoy could be displayed in real time on the customized client of computer, which generated perfect human-computer interface, and the delay time of control command was only 5 seconds. With compression algorithm deploying to satellite communication terminal, the complete remote data was received in real time and sonar image was clear; the overall effect of data compression was remarkable and the desired results were achieved. By far, the buoy has been applied on some of tuna seiners in South China Sea, and fishing boats could communicate effectively with the buoys and receive real-time information on tuna fish via marine client, and the cost is acceptable.

buoy; satellite communication; Huffman coding; data compression

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.009

2016-08-08

2016-10-20

國家科技支撐計劃(2013BAD13B02)；農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室開放基金(2009012)

倪漢華(1983—)，男，助理研究員，碩士，研究方向：水聲及通信儀器軟硬件開發(fā)。E-mail：nihanhua@fmiri.ac.cn

諶志新(1969—)，男，研究員，研究方向：海洋漁業(yè)裝備技術。E-mail：chenzhixin@fmiri.ac.cn

TN919.3+1

A

1007-9580(2016)06-045-06