基于BDS的海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)定位通信裝置設(shè)計(jì)

高詩堯，李 杰，胡陳君，高 寧，劉森林

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.蘇州中盛納米科技有限公司，江蘇蘇州 215123；3.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原 030051)

0 引言

21世紀(jì)被認(rèn)為是“海洋的世紀(jì)”[1]，人類對海洋的開發(fā)隨著海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，規(guī)模越來越大，海域活動(dòng)愈加平凡，海洋環(huán)境愈加復(fù)雜[2]，因此，海域環(huán)境監(jiān)測技術(shù)變得越來越重要，而環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)是監(jiān)測的重要手段之一。

衛(wèi)星監(jiān)測法可觀測采樣絕大部分海域基礎(chǔ)特征，如光學(xué)特征、海表溫度、葉綠素濃度等[3]，但由于測量范圍巨大，測量距離過遠(yuǎn)，導(dǎo)致各項(xiàng)數(shù)據(jù)不能即時(shí)更新、不能同步更新，且部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差較大；而人工點(diǎn)采樣法則存在工作量大、遠(yuǎn)海浮標(biāo)回收不及時(shí)等問題。因此這兩種監(jiān)測方法的配合可能導(dǎo)致無法正確預(yù)判突發(fā)海洋災(zāi)難，造成巨大損失。

國內(nèi)外學(xué)者針對監(jiān)測浮標(biāo)的改進(jìn)作出不斷嘗試。文獻(xiàn)[4]針對海洋水質(zhì)監(jiān)測提出基于無線GSM/GPRS的系統(tǒng)總體架構(gòu)；文獻(xiàn)[5]采用WIFI天線和網(wǎng)橋用于和上位機(jī)通信；文獻(xiàn)[6]針對珠江口水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)研發(fā)一套水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集和接收系統(tǒng)，依舊采用GPRS無線通訊和CDMA無線通信兩種方式。由于有線、GSM/CDMA等常規(guī)通信方式無法滿足穩(wěn)定通信要求，考慮到自主性與安全性的問題，本文將衛(wèi)星通信作為海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)的主要通信方式，設(shè)計(jì)一種適用于海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)的定位通信裝置。該裝置利用太陽能供能；數(shù)據(jù)采集部分采用目前已有的多種海水常規(guī)測試傳感器；利用衛(wèi)星定位通信模塊實(shí)時(shí)傳輸浮標(biāo)位置以及海域環(huán)境信息；開發(fā)配套上位機(jī)軟件，在地面接收設(shè)備中進(jìn)行解碼計(jì)算，得到各浮標(biāo)所處位置的時(shí)間和觀測信息?；谠撗b置設(shè)計(jì)，能有力解決目前無線通信不穩(wěn)定、受影響大的情況，有效減輕監(jiān)測人員負(fù)擔(dān)，加快海域環(huán)境觀測信息更新頻率，配合衛(wèi)星監(jiān)測法，可顯著提升監(jiān)測效率、有效預(yù)防突發(fā)性海洋災(zāi)難。

1 總體設(shè)計(jì)

該定位通信裝置的主要工作：與浮標(biāo)中的海水常規(guī)測試模塊配合，實(shí)時(shí)采集海水常規(guī)測量模塊的數(shù)據(jù)并綜合處理，一方面以無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面接收端進(jìn)行解析，另一方面通過存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，以防止無線通信失誤造成的數(shù)據(jù)遺失，且為了明確數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間和防止浮標(biāo)因錨生銹老化斷裂后偏離原位置，本次設(shè)計(jì)加入了衛(wèi)星定位和授時(shí)設(shè)計(jì)。

海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)由于所處地理位置特殊，主要體現(xiàn)在：海平面無遮擋物，光照充足；遠(yuǎn)海海域無通信基站覆蓋；工作環(huán)境潮濕，易腐蝕，且需長時(shí)間工作。

針對浮標(biāo)工作的特殊環(huán)境，提出利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所特有的北斗短報(bào)文[7]作為無線通信手段，而為了解決海上浮標(biāo)供能問題，引入可再生綠色太陽能供電模塊作為系統(tǒng)長期供能來源，同時(shí)，由于工作環(huán)境的特殊性，系統(tǒng)的防水性需要著重考慮。海域環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海域環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

該海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電源管理模塊、主控模塊、DSP解算模塊、衛(wèi)星定位通信模塊、海水常規(guī)測量模塊和存儲(chǔ)備份模塊。其中，定位通信裝置設(shè)計(jì)在硬件上，主要與4個(gè)模塊直接相關(guān)：主控模塊、衛(wèi)星定位通信模塊、存儲(chǔ)備份模塊和電源管理模塊。該硬件設(shè)計(jì)在滿足定位精度要求和通信成功率的前提下盡可能遵循了電路簡單、穩(wěn)定可靠、功耗低、體積小、成本低的原則。

圖2 海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)硬件組成部分

2.1 主控模塊

主控模塊，需對整個(gè)浮標(biāo)定位通信裝置進(jìn)行控制，包括數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、以及北斗短報(bào)文的發(fā)送，這一系列工作均需要主控模塊來控制。由于FPGA具有獨(dú)特的并行工作模式，且與單片機(jī)等控制芯片相比，工作更穩(wěn)定，性能更可靠，可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同時(shí)采集，因而近年在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛[8]，因此，為確保海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)可長時(shí)間穩(wěn)定工作，此系統(tǒng)主控模塊選用FPGA作為主控模塊的核心控制單元。

為減少系統(tǒng)功耗，縮小系統(tǒng)體積，所選FPGA芯片應(yīng)具備低功耗，小體積的特點(diǎn)。此系統(tǒng)選用Spartan-Ⅵ系列的XC6SLX9芯片，此芯片尺寸為20 mm×20 mm×1.45 mm，具有9 152個(gè)邏輯單元，11 440個(gè)寄存器，576kb的塊RAM(Block RAM)，最大可提供200個(gè)I/O口[9]，可完全滿足系統(tǒng)要求，且價(jià)格便宜，功耗低，體積小，是目前性價(jià)比較高的一款FPGA芯片[10]。其程序配置芯片為XCF04S，外置晶振選用25 MHz有源晶振。

2.2 衛(wèi)星定位通信模塊

針對海面工作特點(diǎn)，利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴周圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋的能力，來設(shè)計(jì)海域環(huán)境檢測浮標(biāo)通信裝置的衛(wèi)星定位通信模塊。結(jié)合本次設(shè)計(jì)需求，從RDSS(radio determination satellite service)的通信成功率和發(fā)射功率、RNSS(radio navigation satellite service)的定位精度和定位需時(shí)、模塊的體積、外形、質(zhì)量、工作電壓、待機(jī)功耗、接口特性、工作環(huán)境指標(biāo)等多方面綜合考慮，采用BDM910高集成模塊作為本次衛(wèi)星導(dǎo)航通信模塊。該模塊外形尺寸為58.3 mm×54 mm×12 mm，質(zhì)量≤75 g，工作溫度為-20～+85 ℃，發(fā)射功率≥40 dBm，待機(jī)功耗低，能夠在濕度≤95%的環(huán)境下長期工作，工作可靠性高，且該模塊采用BDS+GPS雙模定位的定位模式，可在星數(shù)不多時(shí)增強(qiáng)定位可靠性。衛(wèi)星定位模塊外設(shè)電路原理圖如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星定位模塊外設(shè)電路原理圖

2.3 存儲(chǔ)備份模塊

為防止無線通信失敗而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，故設(shè)計(jì)如圖4所示的存儲(chǔ)模塊來進(jìn)行15 d數(shù)據(jù)備份。

圖4 存儲(chǔ)備份模塊原理圖

其中，存儲(chǔ)器芯片選擇Flash Memory(閃存存儲(chǔ)器)系列K9K8G08U0M，該芯片由524 288行(頁)和2112×8列構(gòu)成，擁有8 Gbits的內(nèi)存，屬于NAND結(jié)構(gòu)的FLASH芯片[11]，可隨機(jī)讀、寫，且掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，只要不進(jìn)行程序擦除，10 a內(nèi)數(shù)據(jù)仍不會(huì)丟失，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)100 000次的讀、寫、擦操作[12-13]。其中，寫入和讀取數(shù)據(jù)均是在頁的基礎(chǔ)上完成的，而擦除操作則是基于塊的基礎(chǔ)上執(zhí)行。該芯片由8個(gè)分開的可擦除的128M字節(jié)的塊組成，可連續(xù)存儲(chǔ)15 d的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)兩片F(xiàn)lash芯片，通過輪流選通寫入和擦除，可最長備份30 d的數(shù)據(jù)，具體工作流程見3.2數(shù)據(jù)備份與擦除。

2.4 電源管理模塊

考慮到該系統(tǒng)需長時(shí)間單獨(dú)工作在海面，且海面上陽光充足無遮擋，因此適合采用太陽能電池作為該系統(tǒng)的供電裝置。為選擇合適的太陽能板，先用直流電源進(jìn)行系統(tǒng)功率測試，除衛(wèi)星定位通信模塊為12 V直接供電外，其余模塊均為5 V供電，故設(shè)計(jì)使用DC-DC芯片DPA15-W24S5GD轉(zhuǎn)出5 V給各模塊，原理圖如圖5(a)所示。主控模塊FPGA核供電電壓為1.2 V，IO口供電需3.3 V，配置芯片XC6SLX9與晶振也為3.3 V供電，故用線性穩(wěn)壓芯片TPS73HD301PWP轉(zhuǎn)出1.2 V和3.3 V，給主控模塊供電，原理圖如圖5(b)所示。而為了適應(yīng)DSP先1.2 V、后1.8 V，最后3.3 V的上電順序，故借由FPGA控制LP5907的使能端，來達(dá)到不同步的上電順序，原理圖如圖5(c)所示。

(a)一級電壓轉(zhuǎn)換

經(jīng)測試，系統(tǒng)總電流約為0.33 A(其中，衛(wèi)星定位通信模塊發(fā)射瞬時(shí)電流較大，為1.25 A,但每1 h只需發(fā)射1次，故每s平均電流僅為0.000 34 A)。

P=I×U=0.33 A×12 V=3.96 W

(1)

(2)

式中：P為功率，W；I為平均總電流，A；U為供電電壓，V；W為電能，kW·h；P為功率，kW；t為時(shí)間，h。

根據(jù)式(1)、(2)可得：該系統(tǒng)平均1 d僅需要0.095 04 kW·h，使用12 V/20 Ah的太陽能電池供電，可持續(xù)工作至少35 h。因此該系統(tǒng)中選用2片輸出參數(shù)為14 V/100 W，尺寸為900 mm×600 mm×30 mm，質(zhì)量約為7 kg的單晶硅太陽能板，為12 V/20 Ah的太陽能電池輪流充電。經(jīng)測試，2片太陽能板晴天一共可發(fā)電1.2 kW·h/d，陰天可發(fā)電0.2 kW·h/d，為太陽能電池充電，充電時(shí)長約為2～8h(電池降壓至5 V會(huì)自動(dòng)停止放電，因此電池開始充電時(shí)電壓一般為5 V左右)，同時(shí)，設(shè)計(jì)使用2塊太陽能電池輪流工作、充電，充電完成后能夠得到一定的休眠時(shí)間，可有效延長電池使用壽命，并互為備保設(shè)計(jì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)長期工作在海面，需全自動(dòng)化完成數(shù)據(jù)測量、采集、編幀、均值計(jì)算、發(fā)送和數(shù)據(jù)備份、擦除等一系列工作，最主要的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、數(shù)據(jù)備份與擦除和發(fā)送信息內(nèi)容解碼等。

3.1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送

數(shù)據(jù)采集與發(fā)送具體工作流程如圖6所示，由于不同測量模塊的數(shù)據(jù)傳輸波特率與頻率均不同，衛(wèi)星定位通信模塊數(shù)據(jù)交換的波特率為9 600 bps、數(shù)據(jù)更新頻率為100 Hz，而溫度測量模塊的波特率為115 200 bps、數(shù)據(jù)更新頻率為1 Hz，鹽密度測量模塊和海水酸堿度測量模塊則需要接到FPGA的指令，才會(huì)測量一次，測量穩(wěn)定時(shí)間≤3 s，波特率為9 600 bps。而FPGA需要匹配不同模塊的波特率，每30 s緩存1次數(shù)據(jù)，并將其組合到一幀數(shù)據(jù)中，通過RS422串口將其發(fā)送至DSP，DSP對連續(xù)的120幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼與求平均，將最終的平均值再回傳給FPGA，再由FPGA將該數(shù)據(jù)按北斗4.0協(xié)議發(fā)送到衛(wèi)星定位通信模塊的RDSS單元，RDSS接收數(shù)據(jù)后直接發(fā)送，以完成一次北斗短報(bào)文的發(fā)送。

圖6 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的具體工作流程

3.2 數(shù)據(jù)備份與擦除

圖7 數(shù)據(jù)備份與擦除具體流程圖

3.3 發(fā)送信息內(nèi)容解碼

衛(wèi)星定位通信模塊中RDSS無線通信模塊每次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為47字節(jié)，其中包括衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、海水常規(guī)測量數(shù)據(jù)和故障標(biāo)志字。地面接收機(jī)在接收數(shù)據(jù)后先判斷幀頭，確定數(shù)據(jù)類型，而后對信息內(nèi)容進(jìn)行解碼，并轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)據(jù)顯示到上位機(jī)界面中。具體信息內(nèi)容解碼如下：

3.3.1 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)

原始定位數(shù)據(jù)是由衛(wèi)星定位模塊RNSS單元通過接收北斗和GPS衛(wèi)星的上行信息后解算得到的數(shù)據(jù)，共120字節(jié)，傳給主控模塊、DSP解算模塊后經(jīng)過截取、計(jì)算，得到最終數(shù)據(jù)，共34字節(jié)。其中包含幀頭EB 96和UTC年、月、日和UTC天秒信息、接收機(jī)狀態(tài)、經(jīng)度、緯度、高度等一系列信息，用于匹配時(shí)間、日期，并輔助地面總控臺判斷浮標(biāo)是否出現(xiàn)大幅移位情況。除經(jīng)緯高數(shù)據(jù)類型為8字節(jié)double型，UTC天秒為4字節(jié)unsigned int型外，其余均為1字節(jié)unsigned char型。

3.3.2 海水測量模塊數(shù)據(jù)

海水測量模塊數(shù)據(jù)是指溫度數(shù)據(jù)、酸堿度數(shù)據(jù)和鹽度數(shù)據(jù)，均由4字節(jié)組成，共12字節(jié)。前2個(gè)字節(jié)為幀頭，分別為：AA 01、BB 02和CC 03；而后2個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)：第3個(gè)字節(jié)為signed int型數(shù)據(jù)，代表數(shù)據(jù)符號位和整數(shù)部分，第4個(gè)字節(jié)為unsigned int型數(shù)據(jù)，代表數(shù)據(jù)小數(shù)部分。

3.3.3 系統(tǒng)故障標(biāo)志字

FPGA通過判斷各單元傳輸數(shù)據(jù)是否多次丟字或長時(shí)間未能接到單元數(shù)據(jù)來判斷各單元的故障情況，同時(shí)自檢系統(tǒng)供電電壓是否穩(wěn)定，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)多次出現(xiàn)大的電壓波動(dòng)時(shí)則優(yōu)先判定為系統(tǒng)供電異常。并將故障情況通過系統(tǒng)故障標(biāo)志字標(biāo)示。系統(tǒng)故障標(biāo)志字為單字節(jié)unsigned char型數(shù)據(jù)，具體有6種表示含義，如表1所示。

表1 故障標(biāo)志字含義

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

系統(tǒng)測試需配合地面接收設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，再使用VB編寫的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和還原，上位機(jī)界面如圖8所示。系統(tǒng)測試包括功能性測試和北斗短報(bào)文發(fā)送成功率測試。

圖8 地面總控設(shè)備上位機(jī)界面

4.1 系統(tǒng)功能性測試

通過1個(gè)月的系統(tǒng)測試，將上位機(jī)的解碼數(shù)據(jù)和Flash中的備份數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可對該系統(tǒng)的無線定位通信裝置進(jìn)行對比性測試，確定該無線通信不會(huì)出現(xiàn)丟幀錯(cuò)幀的情況；同時(shí)，對系統(tǒng)的電源管理模塊、存儲(chǔ)模塊和衛(wèi)星定位通信模塊均實(shí)現(xiàn)了功能性驗(yàn)證，結(jié)果表明，系統(tǒng)可具備長期全自動(dòng)化工作的能力。

4.2 北斗短報(bào)文發(fā)送成功率測試

通過在晴天、陰天和雨天進(jìn)行的多次北斗短報(bào)文發(fā)送成功率的測試，得到北斗短報(bào)文的發(fā)送成功率約為：晴天可達(dá)到96%，陰天可達(dá)87%，雨天可達(dá)90%，總體而言，北斗短報(bào)文發(fā)送成功率在86%以上，可滿足工作需要。

5 結(jié)束語

本文從總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三部分詳細(xì)介紹了基于BDS設(shè)計(jì)的適用于海域環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)的定位通信裝置，并結(jié)合地面接收設(shè)備和地面總控設(shè)備的專有上位機(jī)完成了相關(guān)的性能測試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明該設(shè)計(jì)具有較高的發(fā)送成功率，且目前未發(fā)現(xiàn)丟包的情況，能夠適應(yīng)長期全自動(dòng)化工作。與海水常規(guī)測量傳感器配合，可基本滿足目前海域監(jiān)測浮標(biāo)的定位與通信要求，極大提高環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的更新頻率和環(huán)境監(jiān)測效率，為海上災(zāi)害的預(yù)防工作提供有效的數(shù)據(jù)來源。