基于北斗衛(wèi)星通信的海洋監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙榮陽 劉志先 姜 愉 魏 博

(欽州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣西 欽州 535011)

基于北斗衛(wèi)星通信的海洋監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙榮陽 劉志先 姜 愉 魏 博

(欽州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣西 欽州 535011)

文章介紹了海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，依托北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，構(gòu)建海洋與陸地信息之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；結(jié)合嵌入式技術(shù) 、Z i g b e e通信技術(shù)，通過太陽能與電池交叉供電，實現(xiàn)海面監(jiān)測浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)；水下以水聲信道通信方式，部署傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)，從而達到對海洋水下多層次監(jiān)測的目的。

北斗衛(wèi)星；浮標(biāo)；Z i g b e e；水聲信道

1 引言

全球的海洋面積廣闊，礦產(chǎn)、生物等各類資源豐富。近年來包括海洋石油資源開采、海洋旅游、圍海造田等多個方面的海洋開發(fā)，在促進了海洋經(jīng)濟發(fā)展的同時，也造成了海洋環(huán)境質(zhì)量的下降，使得海洋的生態(tài)系統(tǒng)更加脆弱，特別是近海海域的環(huán)境污染給海洋漁業(yè)、海洋養(yǎng)殖帶來了較為嚴重的問題。因此，較為完善的海洋監(jiān)測體系在海洋發(fā)展與保護過程中具有重要的意義。

2 立體監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

國外關(guān)于海洋環(huán)境監(jiān)測的研究相對成熟，例如美國的AOSNs(Autonomous Ocean Sampling Networks) 項 目[1]、PLUSNet(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network)[2]研究計劃等以構(gòu)建水下數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧Ⅲw監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)海洋環(huán)境物理特性的監(jiān)測與采樣。國內(nèi)海洋監(jiān)測方面的技術(shù)研究與實施起步較晚，但是發(fā)展較為迅速，多方面的理論成果為建立海洋立體監(jiān)測體系，提供了理論基礎(chǔ)及關(guān)鍵技術(shù)研究等方面的支撐。海洋立體監(jiān)測體系一般包括：水下的傳感器節(jié)點、水面浮標(biāo)節(jié)點、空間衛(wèi)星、地面信息發(fā)射、接收站、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息中心等方面，海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)框圖

3 海面浮標(biāo)監(jiān)測子系統(tǒng)

3.1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

目前，在遠洋航海過程中，主要采用基于衛(wèi)星通信的全球海事遇險與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)來實現(xiàn)海事衛(wèi)星通訊、定位、地面通信、海上安全信息播放和遇險報警等業(yè)務(wù)[3]；近海的海洋監(jiān)測系統(tǒng)中通常采用GPRS、CDMA等方式實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)信息與地面數(shù)據(jù)中心的通信[4]。

我國的北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(也稱北斗 2代 1期)于2012年12月27日正式開始運行，系統(tǒng)由14顆衛(wèi)星組成,包括5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道衛(wèi)星[5]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航驗證系統(tǒng)已在多個領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，并發(fā)揮了重要作用，包括：通信、水利、減災(zāi)、海事、海洋漁業(yè)、交通、勘探、森林防火等等，其應(yīng)用的顯著特點是集定位、授時、短報文通信及用戶監(jiān)測于一體[6]。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用，為海洋立體監(jiān)測帶來了一個嶄新的發(fā)展未來。

3.2 北斗通信模塊設(shè)計

在海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)中，海面監(jiān)測浮標(biāo)作為淺表海水監(jiān)測節(jié)點的同時，還可以作為連接水下傳感器網(wǎng)絡(luò)與地面數(shù)據(jù)中心的通道。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與海洋監(jiān)測浮標(biāo)相結(jié)合，通過短報文傳輸模式，將數(shù)據(jù)從海面?zhèn)鬏數(shù)疥懙氐臄?shù)據(jù)接收節(jié)點。其中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)既包括海洋浮標(biāo)本身所采集的海洋水質(zhì)、環(huán)境數(shù)據(jù) ，如 PH 值、溫度、鹽度等[7]，海面監(jiān)測浮標(biāo)上安裝水下傳感器網(wǎng)絡(luò)接收模塊（聲波接收模塊、串口）接收水下傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的不同海水深度下的水質(zhì)數(shù)據(jù)信息，通信模塊微處理器將采集數(shù)據(jù)按照北斗衛(wèi)星短報文格式進行封裝，通過安裝在浮標(biāo)上的北斗通信控制發(fā)送模塊，將北斗衛(wèi)星的短報文數(shù)據(jù)信息發(fā)送到地面接收站，地面接收站的北斗接收模塊接收并解析數(shù)據(jù)，存儲于海洋信息監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫。北斗通信發(fā)送模塊框圖如圖2所示。

圖2 北斗通信發(fā)送模塊框

3.3 供電電源模塊

海洋監(jiān)測浮標(biāo)采用太陽能供電電源，電池作為后備電源，兩種供電方式交叉工作，太陽能優(yōu)先。當(dāng)陽光充足、太陽能供電電量充分時，系統(tǒng)優(yōu)先選擇太陽能供電，并為后備電池充電；當(dāng)太陽能供電電量不足時，系統(tǒng)切換為電池供電，從而確保系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行。系統(tǒng)太陽能充電管理采用CN3083芯片，CN3083能夠在不同太陽光照輸入情況下，自動調(diào)節(jié)充電電量，無需過多的人為干涉，較為適合野外、海洋等環(huán)境應(yīng)用，并具有溫度監(jiān)測、低功耗模式等特點，且外圍電路簡單，易于實現(xiàn)。電源管理模塊原理圖如圖3所示。

圖3 電源管理模塊原理圖

3.4 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)采用 Zigbee無線模塊，通過自組網(wǎng)的方式，實現(xiàn)近海岸的監(jiān)測WSN。Zigbee節(jié)點價格便宜、功耗低，具有多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，易于構(gòu)建，適用于 2.4G 通頻段[8-10]。TI公司的CC2530集成了 51處理器、RF 射頻器，支持多種類型 Zigbee協(xié)議棧，在不同工作模式下，便于實現(xiàn)喚醒與休眠之間的切換，適用于海洋、野外等多種工作環(huán)境。無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中不同類型的節(jié)點硬件電路設(shè)計基本一致，但需要在軟件部分完成協(xié)調(diào)節(jié)點、終端節(jié)點等的注冊工作，并對設(shè)備進行定義[11]。

4 水下傳感器監(jiān)測子系統(tǒng)

海洋浮標(biāo)在水質(zhì)、環(huán)境的監(jiān)測中，配合潛標(biāo)、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)等具有不同測量任務(wù)的模塊，能夠進一步完善整個海洋監(jiān)測體系，對人類認識海洋、了解海洋、開發(fā)海洋具有積極的意義。

4.1 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

水下傳感網(wǎng)絡(luò)通常是指部署在海洋特定區(qū)域不同深度、具有耗能低、距離短等特點的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，并能夠?qū)崿F(xiàn)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[12]。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點深度不同 ，主要有二維和三維兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中二維節(jié)點通常固定在海底、三維節(jié)點依據(jù)監(jiān)測需要分布在不同深度的海水中，其通信主要有無線電、激光、水聲信道等方式[1,12]。

通過將海面監(jiān)測浮標(biāo)與海洋水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)通信，從而構(gòu)建立體海洋監(jiān)測系統(tǒng)，并且在部署水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，海面浮標(biāo)與水下匯聚節(jié)點之間傳輸采用串口、聲波收發(fā)方式相互配合完成采集數(shù)據(jù)的通信傳輸。水下傳感器節(jié)點自組網(wǎng)完成之后，由于距離對水聲信道傳輸?shù)挠绊懀鞴?jié)點采集數(shù)據(jù)通過多跳通信傳輸數(shù)據(jù)[13]，利用垂直、水平聲波收發(fā)器，接收水下各個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點[14]。然后 ，匯聚節(jié)點通過串口、聲波傳送到海面浮標(biāo)，最后經(jīng)由安裝在浮標(biāo)上的北斗通信控制發(fā)送模塊，以短報文形式發(fā)送到地面接收站。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

4.2 軟件設(shè)計

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點類型，根據(jù)功能不同，有匯聚節(jié)點與終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點之分[13]。匯聚節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中主要負責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點所采集數(shù)據(jù)，并按照指定格式封裝傳輸回地面接收站；終端節(jié)點在初始化后，與匯聚節(jié)點完成自動組網(wǎng)工作，進入休眠狀態(tài)。當(dāng)終端節(jié)點收到數(shù)據(jù)采集命令時，或者到達提前設(shè)定采集數(shù)據(jù)時間段時，終端節(jié)點開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時限到達后，保存數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點[15]。軟件流程圖如圖 5所示。

5 結(jié)束語

伴隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的逐步成熟，其應(yīng)用范圍會越來越廣泛。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)的進步，使得水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的續(xù)航、數(shù)據(jù)采集、通信等方面能力逐漸完善，海洋監(jiān)測浮標(biāo)、海面基站的建設(shè)能力、功能也越來越強。將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用到海洋環(huán)境、生態(tài)、安全等方面的監(jiān)測，結(jié)合海洋浮標(biāo)系統(tǒng)、水面基站、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建立體海洋監(jiān)測系統(tǒng)，是未來海洋開發(fā)、保護的必然選擇。

圖5 軟件流程圖

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Study on Ocean Monitoring Systems Based on Beidou Satellites System

Zhao Rongyang Liu Zhixian Jiang Yu Wei Bo
(QinZhou University,Qinzhou 535011,Guangxi)

This paper introduces the overall structure of ocean tridimensional monitoring systems.It builds a network for data transmission between sea and land based on Beidou satellites system.With the embedded technology and zigbee technology,it takes solar energy and battery for power supply to monitor the subsystem of buoy.Communicating with the underwater acoustic channel, sensors are by deployed to monitor the subsystem,so as to achieve tridimensional monitoring of the ocean.

Beidou satellites system;Buoy;Zigbee;underwater acoustic channe

TP393

A

1008-6609(2017)05-0043-04

趙榮陽（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)高效能信息感知模型研究（2017K Y 0803）；欽州市物聯(lián)網(wǎng)先進技術(shù)重點實驗室