海上觀測平臺數據傳輸標準化技術研究

張建濤，韓家新

（國家海洋技術中心，天津300112）

海上觀測平臺數據傳輸標準化技術研究

張建濤，韓家新

（國家海洋技術中心，天津300112）

數據傳輸網是海洋環(huán)境保障體系的重要組成部分，是連接立體觀測系統(tǒng)、預報警報系統(tǒng)和信息綜合處理系統(tǒng)以及用戶之間的紐帶和橋梁。重點研究分析了我國海上觀測平臺數據傳輸技術應用現狀及存在的問題，提出了觀測平臺在執(zhí)行統(tǒng)一的技術標準（正在制訂中）前提下使用不同的通信設備時無需改變已有通信軟硬件的技術方案。

海洋觀測數據傳輸；數據傳輸標準化；中間解釋層

我國擁有漫長的大陸岸線和島嶼岸線，沿海地區(qū)是我國經濟發(fā)達地區(qū)，聚集了全國60%以上的經濟總量和40%以上的人口。我國是世界上海洋災害最頻發(fā)、破壞程度最嚴重的國家之一，每年發(fā)生的各類海洋災害對沿海經濟和社會發(fā)展造成了巨大的損失，對人民生命財產安全造成了嚴重的威脅[1]。為合理開發(fā)海洋資源、保護海洋環(huán)境、減輕海洋災害，利用先進的科學技術和手段，及時獲取、處理和分析海洋環(huán)境信息數據，建立和完善海洋觀測體系，是一項完全必要而十分緊迫的任務[2]。數據傳輸網是海洋觀測體系的重要組成部分，是連接立體觀測系統(tǒng)、預報警報系統(tǒng)和信息綜合處理系統(tǒng)以及用戶之間的紐帶和橋梁。本文重點研究分析了我國海上觀測平臺數據傳輸技術應用現狀及存在的問題，提出了觀測平臺在執(zhí)行統(tǒng)一的技術標準（正在制訂中）前提下使用不同的通信設備時無需改變已有通信軟硬件的技術方案，并給出了實驗驗證結果。

1 海上觀測平臺數據傳輸技術應用現狀及存在的問題

我國海洋環(huán)境保障體系已經歷了50多a的發(fā)展歷程，至今已初步形成了以地面專線、衛(wèi)星通信、CDMA/GPRS等為主要通信手段的數據傳輸網[3]。目前，我國在海上布放使用的圓盤型錨系浮標、實時傳輸潛標主要采用海事衛(wèi)星C站和“北斗”衛(wèi)星通信終端傳輸觀測數據，自持式剖面循環(huán)探測漂流浮標（ARGO浮標）和表面漂流浮標采用Argos衛(wèi)星通信模塊和“北斗”衛(wèi)星通信終端傳輸觀測數據；志愿船測報系統(tǒng)采用海事衛(wèi)星C站（遠海志愿船）和CDMA/GPRS（近海志愿船）傳輸觀測數據；遠離大陸的海島站和平臺站采用VSAT小站或海事衛(wèi)星C站傳輸觀測數據（見圖1）。

圖1 海洋觀測數據傳輸網示意圖

隨著國家對海洋戰(zhàn)略地位的高度重視、海洋觀測業(yè)務能力建設的不斷加強以及海洋科學技術的進步，我國海洋觀測將由近海向深遠海延伸，多種觀測平臺特別是海上觀測平臺將被大量使用，在執(zhí)行統(tǒng)一的技術標準前提下，使用更新通信設備時，數據傳輸存在的多樣性問題依然突出，主要體現在：

（1）通信協議多樣性?，F有的海上觀測平臺可以使用的通信設備多種多樣，而每種通信設備采用的通信指令格式各不相同。要使用某一種通信設備，必須按照其所提供的通信指令格式，開發(fā)專用的控制程序，對數據進行分包、封裝發(fā)送。一旦通信設備發(fā)生改變，或者通信系統(tǒng)進行升級換代，之前的專用控制程序可能不再兼容，需要重新開發(fā)。

（2）數據傳輸格式多樣性?，F有海上觀測平臺采用的數據傳輸格式也不盡相同。當接收終端要對數據進行接收處理時，必須為不同的觀測平臺開發(fā)專用的數據接收處理程序。隨著時間的推移，各觀測平臺的功能不斷完善，之前開發(fā)的專用程序可能不再兼容，需要不斷更新。

（3）接口多樣性?，F有海上觀測平臺常采用多種類型的通信設備，而每種通信設備提供的物理接口也可能不同。必須針對每一個通信設備提供專有的物理接口，而每種物理接口又不能通用。隨著硬件設備的不斷升級或者新的硬件設備的加入，之前的物理接口可能不再兼容，需要重新設計硬件體系。

如此反復的開發(fā)設計工作，不但造成了資源和時間的浪費，而且給海洋觀測數據傳輸網的建設與發(fā)展帶來了一定的阻礙。

2 海上觀測平臺數據傳輸標準化技術研究方案

為有效解決海上觀測平臺數據傳輸存在的通信協議多樣性、數據格式多樣性和接口多樣性等問題，其解決方案是，在觀測平臺與通信設備之間增加一個通信控制模塊 （如圖2）作為中間解釋層，對通信協議、數據格式、物理接口采取標準化處理并進行相應的轉換，實現觀測平臺與通信設備之間的物理接口、傳輸協議、指令格式、數據格式相互兼容。同時，在接收終端與通信設備之間增加一個接口轉換模塊，實現物理接口轉換，并把通信協議轉換部分以軟件的形式在接收終端上實現。

圖2 海洋觀測數據傳輸體系架構圖

中間解釋層（通信控制模塊）的作用和特點體現在兩個方面：一是提供RS-485、RS-232、USB等接口，在觀測平臺與通信設備自身硬件基本不變的情況下，實現物理接口的轉換；二是提供進行通信協議轉換處理，在不改變觀測平臺通信協議和通信設備的通信協議的情況下，實現標準協議與通信設備提供的協議之間的轉換。

3 中間解釋層技術設計

中間解釋層包括物理層和協議層兩部分，物理層的功能是實現物理接口的轉換，協議層的功能是實現通信協議的轉換。其設計原則為：

（1）在保證功能前提下，盡量少的使用外部器件，以降低功耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）具有兩路以上的UART，便于擴展使用，一路用于接觀測平臺，另一路用于接通信設備。

（3）由于需要兼容多種通信協議，應具有較大的程序存儲空間，并為以后擴展留有余地。

3.1 硬件設計

包括通信控制模塊和接口轉換模塊兩部分。

通信控制模塊的硬件主要包括CPU、電源、擴展存儲器、JTAG接口、2路 UART、TTL轉 RS-232/RS-485/USB接口電路等。圖3為通信控制模塊的硬件結構圖。

（1）通信控制模塊以Silicon的C8051F020單片機為核心，輔以外圍接口轉換芯片構成了通信控制模塊的整體。

（2）配置一片128KB外部擴展存儲器，保證系統(tǒng)的正常運行，并有一定的擴展空間。

（3）CPU外部電路設置自恢復和工作電壓監(jiān)控功能，以保證CPU穩(wěn)定工作。

（4）接口轉換器件工作電壓為3.3 V或者5 V，以降低功耗。

圖3 通信控制模塊硬件結構圖

接口轉換模塊的硬件主要包括USB接口電路、RS-232接口電路、RS-485接口電路、232/485/USB轉換開關、電源變換電路等。圖4是接口轉換模塊的結構圖。

（1） 接口轉換模塊是由 RS-232、RS-485、USB 三種接口轉換芯片為主體，構成了模塊的整體。

（2）模塊應具有內部電源轉換功能，在不需要單獨的外部電源供電的情況下，能正常工作。

（3）接口芯片的選擇，工作電壓應為3.3 V，并且功耗應盡量小，以滿足不需要獨立外部電源情況下的功耗要求。

圖4 接口轉換模塊硬件結構圖

3.2 軟件設計

軟件系統(tǒng)部分的功能主要有：對標準傳輸協議的支持，實現標準傳輸協議到設備通信協議的轉換，兼容多種通信設備的通信協議等。通信控制模塊軟件采用Silicon公司提供的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）進行開發(fā)。接收終端軟件使用微軟公司的軟件開發(fā)工具Microsoft Visual Basic 6.0來進行設計。圖5為發(fā)送端的工作流程，包括數據采集、數據發(fā)送和響應信息分析三部分。其中，響應信息又包括系統(tǒng)響應信息和通信響應信息兩類（如圖6所示），系統(tǒng)響應信息用于中間解釋層向觀測平臺以及接收終端向中間解釋層反饋指令執(zhí)行情況，它具有一個參數，表示指令是否正確接收；通信響應信息是發(fā)送端發(fā)出數據后，接收端的回應信息，它不具有參數，只是表示數據的正確接收。接收端的工作流程見圖7，它包括協議轉換與數據接收存儲兩部分。

圖5 發(fā)送端工作流程

圖6 響應信息分析

圖7 接收端工作流程

4 基于“北斗”衛(wèi)星和超短波電臺通信的技術驗證

為了檢驗所設計方案的可行性，作者基于“北斗”衛(wèi)星和超短波電臺通信進行了實驗驗證。

第一步進行的是不使用中間解釋層的通信測試實驗，實驗系統(tǒng)組成框圖見圖8。首先是基于“北斗”衛(wèi)星的通信實驗。觀測平臺要采用“北斗”通信終端進行數據傳輸，必須嚴格按照“北斗”終端的指令格式開發(fā)專用的控制程序對數據進行分包、封裝，然后依次發(fā)送，并且接收終端也需要按照指令格式開發(fā)專用的接收程序，完成數據的接收、處理。同時，硬件體系還要支持“北斗”終端提供的物理接口。然后是基于超短波電臺的通信實驗。從圖8可以看出，它需要將通信設備由“北斗”終端換成超短波電臺，但是如果不做其他更改，無法直接進行數據傳輸。要實現數據傳輸，觀測平臺必須按照超短波電臺的指令格式重新開發(fā)專用的發(fā)送程序，接收終端也要重新設計專用的接收程序，這樣才能完成數據的發(fā)送、接收與處理。對這兩個實驗分別進行7 d的通信測試，通信周期為15 min，每天發(fā)送96條短報文，7 d共發(fā)送672條。

第二步是使用中間解釋層對通信過程進行控制的通信測試，實驗系統(tǒng)組成框圖見圖9。由圖可知，與圖8相比，在觀測平臺與通信設備之間增加了通信控制模塊作為中間解釋層，在接收終端與通信設備之間增加協議轉換程序，完成標準協議和通信設備提供協議之間的轉換。首先進行的是基于“北斗”衛(wèi)星的通信測試，觀測平臺按照標準協議開發(fā)通信控制程序，通信控制模塊和協議轉換程序完成標準協議和通信設備提供的協議之間的轉換。然后進行基于超短波電臺的通信測試，在這里直接將通信工具由“北斗”通信終端換成超短波電臺，設置通信控制模塊和協議轉換程序的通信方式為超短波電臺，即可實現數據傳輸，無需更改系統(tǒng)的軟硬件設計。同樣分別進行7 d的通信測試，通信周期也為15 min，7 d共發(fā)送672條與上一個實驗完全相同的短報文，實驗結果與上一個實驗基本一致。

圖8 無通信控制的實驗系統(tǒng)組成圖

圖9 具有中間解釋層的實驗系統(tǒng)組成圖

5 結論

從實驗結果可以看出，本文提出的數據傳輸標準化技術研究方案具有以下幾個優(yōu)勢：第一，簡化了發(fā)送端和接收端的軟件設計，從而降低了系統(tǒng)的復雜程度，提高了安全可靠性；第二，通過支持多種物理接口，在設計上將軟硬件分離開來，實現了通信設備的即插即用。另外，此方案具有良好的通用性和擴展性，應用前景廣闊，可用于多種海上觀測平臺，相信能對我國海洋環(huán)境觀測網的建設起到推動作用。

[1]趙吉浩，高艷波，朱光文，等.海洋觀測技術進展[J].海洋技術，2008，27(4):1-4.

[2]趙進平.發(fā)展海洋監(jiān)測技術的思考與實踐[M].北京：海洋出版社，2005.

[3]蔡樹群，張文靜等.海洋環(huán)境觀測技術研究進展[J].熱帶海洋學報，2007，26（3）：76-81.

[4]李穎虹，王凡，任小波.海洋觀測能力建設的現狀、趨勢與對策思考[J].地球科學進展，2010，25（7）：715-722.

[5]北京神州天鴻有限公司.神州天鴻終端通信協議（V2.5 Release）[Z].2007.

[6]李玉成.海洋工程技術進展與對發(fā)展我國海洋經濟的思考[J].大連理工大學學報，2002，42（I）：1-5.

Research on Standardization Technology of Data Transmission of Marine Observation Platforms

ZHANG Jian-tao,HAN Jia-xin
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Data transmission network is an important part of the marine environmental security system,which is the bridge and link that connects the three-dimensional observation system,forecasting and warning system,information integrated processing system and users.The present application and existing problems of Chinese marine observation platforms’data transmission technology are emphasized.The technical schemes of the observation platform using different communication equipments without changing the existing hardware and software under the premise of implementing of unified technical standards(being drawn up now)is put forward.

ocean observation data transmission;standardization of data transmission;the middle layer of interpretation

P715

A

1003-2029（2011）02-0041-05

2011-03-15

海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目（200905031）。