船載自動氣象站DTU通信機(jī)制及降耗方法探討

王佳明，宋吉霞，辛文鵬

(威海市氣象局，威海264200)

0 引言

船載自動氣象站(以下簡稱船載站)是指安裝在船舶上的自動氣象站。船載站隨船舶移動自動采集航線上實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，能使用DTU通過無線網(wǎng)絡(luò)和有線鏈路向陸地上數(shù)據(jù)處理中心(以下簡稱數(shù)據(jù)中心)傳送觀測數(shù)據(jù)，也可接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)中心發(fā)來的控制指令[1，2]。

目前船載站一般同時(shí)采用2G/3G/4G DTU與北斗衛(wèi)星終端2類設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3，4]。船載站北斗通信終端利用北斗衛(wèi)星短報(bào)文方式，按照設(shè)置的固定頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其功耗基本不受天氣狀況、信號強(qiáng)弱及盲區(qū)影響，比較穩(wěn)定。船載站的DTU在2G/3G/4G基站信號覆蓋區(qū)內(nèi)可保持永久在線，功耗比較穩(wěn)定。但船舶航行在距離海岸或有2G/3G/4G信號基站的海島30 n mile(受天氣狀況影響約有±5 n mile變化)外出現(xiàn)2G/3G/4G信號盲區(qū)，或處在2G/3G/4G相鄰基站信號邊緣的交叉海域時(shí)，DTU會因掉線而持續(xù)撥號查找2G/3G/4G信號基站進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接，撥號進(jìn)程功耗較大。如果DTU長期處在信號盲區(qū)，不斷重復(fù)撥號會消耗大量電能。當(dāng)船載站遇上連續(xù)大霧或陰雨天時(shí)，太陽能供電系統(tǒng)無法為蓄電池提供有效電量補(bǔ)充，其采集器會因蓄電池饋電被切斷電力供應(yīng)而停止工作。因此針對DTU不同工況的功耗情況，研究降耗方法，對保障船載站正常工作具有重要意義。

1 船載站DTU簡介

DTU中文名為數(shù)據(jù)傳輸單元，是無線DDN數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品。DTU使用TCP或UDP協(xié)議，利用運(yùn)營商無線網(wǎng)絡(luò)為終端設(shè)備和數(shù)據(jù)處理中心搭建起無線通信鏈路后，將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送；具有撥號上網(wǎng)、雙向透傳、永久在線、參數(shù)配置及存儲功能。

船載站DTU與采集器直連，可將采集器RS-232或RS-485串口輸出的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)，再通過無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)傳輸；也可將接收到的、由數(shù)據(jù)中心發(fā)來的控制指令，經(jīng)IP數(shù)據(jù)→串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳輸給采集器，完成數(shù)據(jù)或指令雙向透傳動作[5，6]。

2 船載站DTU通信

2.1 DTU通信組件

DTU通信組件由DTU、信號線(與采集器連接)、天線和SIM卡組成。

2.2 DTU通信路徑

船載站采集器將觀測數(shù)據(jù)由RS-232或RS-485口發(fā)送給DTU，DTU通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給通信基站，經(jīng)通信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)間交換后，進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。

2.3 DTU通信狀態(tài)顯示

DTU面板上有PWR(狀態(tài)燈)、NET(網(wǎng)絡(luò)燈)和DATA(數(shù)據(jù)燈)3個LED指示燈。指示燈的亮、滅組合，可顯示DTU當(dāng)前工作狀態(tài)，指示燈狀態(tài)釋義如表1所示。

表1 DTU指示燈狀態(tài)釋義

2.4 DTU功耗

DTU的DC12 V工作電源由船載站供電系統(tǒng)提供(以宏電H7118 4G DTU為例)，功耗情況如表2所示。

表2 DTU功耗

DTU待機(jī)狀態(tài)(指與數(shù)據(jù)中心保持在線，除定時(shí)發(fā)送心跳注冊包外，不發(fā)送觀測數(shù)據(jù))平均功耗僅為0.24 W，對于船載站供電系統(tǒng)的電力消耗可忽略不計(jì)。向數(shù)據(jù)中心正常發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)(即以1024 B/S發(fā)送觀測數(shù)據(jù))平均功耗約為1.32 W。當(dāng)2G/3G/4G信號不良時(shí)，DTU發(fā)送數(shù)據(jù)會加大信號發(fā)射功率，平均工作電流300～480 mA，平均功耗為3.6～5.76 W。

2.5 影響DTU功耗的配置參數(shù)

2.5.1 重?fù)芴枙r(shí)間間隔

DTU掉線或通電重啟后需重新?lián)芴栕赃\(yùn)營商2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)。若撥號注冊失敗，則需等待設(shè)定的重?fù)芴栭g隔時(shí)間后重新?lián)芴栕浴３鰪S默認(rèn)間隔時(shí)間為60 s。

2.5.2 在線報(bào)告時(shí)間間隔

在線報(bào)告時(shí)間間隔又叫心跳注冊包發(fā)送時(shí)間間隔。該參數(shù)作用是保持網(wǎng)絡(luò)鏈路永久在線。因運(yùn)營商網(wǎng)關(guān)提供的NAT(網(wǎng)絡(luò)地址翻譯)端口映射服務(wù)具有很短的時(shí)效，故若要維持雙向通信須設(shè)置DTU定時(shí)發(fā)送心跳注冊包，從而使NAT端口映射繼續(xù)保持。DTU周期性發(fā)送固定格式的心跳注冊包到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心收到心跳注冊包后，會對DTU確認(rèn)信息，從而使DTU與數(shù)據(jù)中心的鏈路保持永久連接。在線報(bào)告時(shí)間間隔取值范圍為0～65，535 s或5～65，535 s，出廠默認(rèn)值為30 s。

2.5.3 最大登錄DSC次數(shù)

最大登錄DSC次數(shù)指與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行IP通道注冊(創(chuàng)建)失敗后重新嘗試登錄的次數(shù)。其取值范圍為1～5次，出廠默認(rèn)為5次。

2.5.4 重新連接時(shí)間間隔

重新連接時(shí)間間隔指與數(shù)據(jù)中心IP通道連接失敗后重新連接或下線后重新連接的時(shí)間間隔。如果通道異?；蚩臻e下線，DTU會關(guān)閉與運(yùn)營商2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)通道異常或下線達(dá)到設(shè)定的間隔時(shí)間后，會重新進(jìn)行2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)撥號和IP通道注冊(創(chuàng)建)。該時(shí)間間隔的取值范圍為0～65，535 s，出廠默認(rèn)值為30 s。

2.6 DTU工作機(jī)制

DTU通電后工作流程為：DTU通電后自檢→配置參數(shù)讀取→SIM卡檢查→注冊運(yùn)營商2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)→注冊IP網(wǎng)絡(luò)通道→網(wǎng)絡(luò)連接保持→DTU數(shù)據(jù)傳輸。

在2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋區(qū)，DTU會監(jiān)測通信鏈路在線情況。網(wǎng)絡(luò)連接失敗或下線后，會按照上述工作流程重新進(jìn)行撥號連接。DTU出廠默認(rèn)重?fù)芴枙r(shí)間間隔為60 s，即每隔60 s重新?lián)芴?次，直到撥號成功，完成2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)注冊。由通信運(yùn)營商網(wǎng)關(guān)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)后進(jìn)行IP通道注冊，即與數(shù)據(jù)中心(IP地址+端口號)通道建立鏈接。DTU進(jìn)行每輪IP通道注冊重連接的時(shí)間間隔默認(rèn)為30 s，登錄成功并獲得回執(zhí)后，IP通道鏈接建立。否則等待30 s后進(jìn)入下一輪IP通道注冊鏈接，鏈接登錄到數(shù)據(jù)中心最多連續(xù)嘗試5次。網(wǎng)絡(luò)通道建立后，DTU按出廠默認(rèn)30 s時(shí)間間隔向數(shù)據(jù)中心發(fā)送固定格式的心跳注冊包向，保持DTU與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)鏈路永久在線。

3 船載站DTU降耗

DTU進(jìn)行2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)撥號、注冊時(shí)峰值功耗為5.76 W左右，比正常數(shù)據(jù)傳輸功耗(1.32 W)大得多。船載站處在2G/3G/4G通信基站信號較弱、兩基站信號邊緣疊加海域或信號盲區(qū)時(shí)，DTU會出現(xiàn)頻繁掉線、重復(fù)撥號的情況。特別是船舶在遠(yuǎn)離陸地2G/3G/4G信號區(qū)航行時(shí)，船載站DTU處于掉線狀態(tài)，其每隔60 s會重復(fù)執(zhí)行1次2G/3G/4G通信撥號、注冊動作，每次撥號均消耗峰值功率。如果船載站隨船舶在2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)信號盲區(qū)駐留或航行時(shí)間較長時(shí)，其功耗開銷會導(dǎo)致船載站總功耗增大。遇到持續(xù)陰雨天時(shí)，太陽能充電效率不良或無電力輸出，船載站可能會因電力供應(yīng)不足停止工作。

DTU在待機(jī)狀態(tài)下功耗極低，僅0.24 W。故對重?fù)芴枙r(shí)間間隔、在線報(bào)告時(shí)間間隔和重新連接時(shí)間間隔3個參數(shù)值進(jìn)行重新設(shè)置，增大撥號、報(bào)告及重新連接等待時(shí)間，以延長DTU低功耗待機(jī)時(shí)間，減少單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)撥號注冊次數(shù)，降低功率消耗，達(dá)到節(jié)能降耗目的。

4 結(jié)束語

使用太陽能作為唯一供電方式的船載站，通過改變其DTU部分配置參數(shù)的方法降低功耗，在DTU對 2G/3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)(基站+運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò))注冊撥號這一功率消耗較大進(jìn)程中降耗效果明顯。而在DTU與數(shù)據(jù)中心建立IP通道注冊和鏈接保持進(jìn)程中，雖然理論上起到降耗作用，但成效微弱。

因DTU在海上隨船舶航行的通信環(huán)境存在不確定性，因此配置參數(shù)數(shù)值的大小僅能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，時(shí)間間隔設(shè)置過短則降耗效果不明顯，而設(shè)置過長則船載站從海上信號不良區(qū)(或盲區(qū))進(jìn)入正常信號區(qū)時(shí)，DTU仍處在撥號注冊間隔時(shí)間等待中，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)不能及時(shí)傳輸。

如果船載站采集器能記錄、存儲歷史航行海域的通信信號不良區(qū)，并植入電子海圖、GIS和研發(fā)相關(guān)算法，使采集器根據(jù)船載站距岸實(shí)時(shí)位置和存儲的信號不良海域自主選擇是否對DTU通電進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即可科學(xué)地實(shí)現(xiàn)船載站DTU降耗和功耗可控目的。