張建濤，韓家新

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

海上觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究

張建濤，韓家新

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)是海洋環(huán)境保障體系的重要組成部分，是連接立體觀測(cè)系統(tǒng)、預(yù)報(bào)警報(bào)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(diǎn)研究分析了我國(guó)海上觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題，提出了觀測(cè)平臺(tái)在執(zhí)行統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（正在制訂中）前提下使用不同的通信設(shè)備時(shí)無需改變已有通信軟硬件的技術(shù)方案。

海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)化；中間解釋層

我國(guó)擁有漫長(zhǎng)的大陸岸線和島嶼岸線，沿海地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，聚集了全國(guó)60%以上的經(jīng)濟(jì)總量和40%以上的人口。我國(guó)是世界上海洋災(zāi)害最頻發(fā)、破壞程度最嚴(yán)重的國(guó)家之一，每年發(fā)生的各類海洋災(zāi)害對(duì)沿海經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展造成了巨大的損失，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅[1]。為合理開發(fā)海洋資源、保護(hù)海洋環(huán)境、減輕海洋災(zāi)害，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和手段，及時(shí)獲取、處理和分析海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)，建立和完善海洋觀測(cè)體系，是一項(xiàng)完全必要而十分緊迫的任務(wù)[2]。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)是海洋觀測(cè)體系的重要組成部分，是連接立體觀測(cè)系統(tǒng)、預(yù)報(bào)警報(bào)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(diǎn)研究分析了我國(guó)海上觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題，提出了觀測(cè)平臺(tái)在執(zhí)行統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（正在制訂中）前提下使用不同的通信設(shè)備時(shí)無需改變已有通信軟硬件的技術(shù)方案，并給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

1 海上觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題

我國(guó)海洋環(huán)境保障體系已經(jīng)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(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)[3]。目前，我國(guó)在海上布放使用的圓盤型錨系浮標(biāo)、實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)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(cè)數(shù)據(jù)，自持式剖面循環(huán)探測(cè)漂流浮標(biāo)（ARGO浮標(biāo)）和表面漂流浮標(biāo)采用Argos衛(wèi)星通信模塊和“北斗”衛(wèi)星通信終端傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)；志愿船測(cè)報(bào)系統(tǒng)采用海事衛(wèi)星C站（遠(yuǎn)海志愿船）和CDMA/GPRS（近海志愿船）傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)離大陸的海島站和平臺(tái)站采用VSAT小站或海事衛(wèi)星C站傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)（見圖1）。

圖1 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)示意圖

隨著國(guó)家對(duì)海洋戰(zhàn)略地位的高度重視、海洋觀測(cè)業(yè)務(wù)能力建設(shè)的不斷加強(qiáng)以及海洋科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)海洋觀測(cè)將由近海向深遠(yuǎn)海延伸，多種觀測(cè)平臺(tái)特別是海上觀測(cè)平臺(tái)將被大量使用，在執(zhí)行統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)前提下，使用更新通信設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸存在的多樣性問題依然突出，主要體現(xiàn)在：

（1）通信協(xié)議多樣性。現(xiàn)有的海上觀測(cè)平臺(tái)可以使用的通信設(shè)備多種多樣，而每種通信設(shè)備采用的通信指令格式各不相同。要使用某一種通信設(shè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包、封裝發(fā)送。一旦通信設(shè)備發(fā)生改變，或者通信系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)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(shù)據(jù)傳輸格式多樣性?，F(xiàn)有海上觀測(cè)平臺(tái)采用的數(shù)據(jù)傳輸格式也不盡相同。當(dāng)接收終端要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收處理時(shí)，必須為不同的觀測(cè)平臺(tái)開發(fā)專用的數(shù)據(jù)接收處理程序。隨著時(shí)間的推移，各觀測(cè)平臺(tái)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。現(xiàn)有海上觀測(cè)平臺(tái)常采用多種類型的通信設(shè)備，而每種通信設(shè)備提供的物理接口也可能不同。必須針對(duì)每一個(gè)通信設(shè)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(shè)備的不斷升級(jí)或者新的硬件設(shè)備的加入，之前的物理接口可能不再兼容，需要重新設(shè)計(jì)硬件體系。

如此反復(fù)的開發(fā)設(shè)計(jì)工作，不但造成了資源和時(shí)間的浪費(fèi)，而且給海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展帶來了一定的阻礙。

2 海上觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究方案

為有效解決海上觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸存在的通信協(xié)議多樣性、數(shù)據(jù)格式多樣性和接口多樣性等問題，其解決方案是，在觀測(cè)平臺(tái)與通信設(shè)備之間增加一個(gè)通信控制模塊 （如圖2）作為中間解釋層，對(duì)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式、物理接口采取標(biāo)準(zhǔn)化處理并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)平臺(tái)與通信設(shè)備之間的物理接口、傳輸協(xié)議、指令格式、數(shù)據(jù)格式相互兼容。同時(shí)，在接收終端與通信設(shè)備之間增加一個(gè)接口轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)物理接口轉(zhuǎn)換，并把通信協(xié)議轉(zhuǎn)換部分以軟件的形式在接收終端上實(shí)現(xiàn)。

圖2 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸體系架構(gòu)圖

中間解釋層（通信控制模塊）的作用和特點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是提供RS-485、RS-232、USB等接口，在觀測(cè)平臺(tái)與通信設(shè)備自身硬件基本不變的情況下，實(shí)現(xiàn)物理接口的轉(zhuǎn)換；二是提供進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換處理，在不改變觀測(cè)平臺(tái)通信協(xié)議和通信設(shè)備的通信協(xié)議的情況下，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與通信設(shè)備提供的協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

3 中間解釋層技術(shù)設(shè)計(jì)

中間解釋層包括物理層和協(xié)議層兩部分，物理層的功能是實(shí)現(xiàn)物理接口的轉(zhuǎn)換，協(xié)議層的功能是實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。其設(shè)計(jì)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(kuò)展使用，一路用于接觀測(cè)平臺(tái)，另一路用于接通信設(shè)備。

（3）由于需要兼容多種通信協(xié)議，應(yīng)具有較大的程序存儲(chǔ)空間，并為以后擴(kuò)展留有余地。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

包括通信控制模塊和接口轉(zhuǎn)換模塊兩部分。

通信控制模塊的硬件主要包括CPU、電源、擴(kuò)展存儲(chǔ)器、JTAG接口、2路 UART、TTL轉(zhuǎn) RS-232/RS-485/USB接口電路等。圖3為通信控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖。

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

（2）配置一片128KB外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并有一定的擴(kuò)展空間。

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

（4）接口轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖

接口轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換開關(guān)、電源變換電路等。圖4是接口轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)圖。

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

（2）模塊應(yīng)具有內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換功能，在不需要單獨(dú)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(yīng)為3.3 V，并且功耗應(yīng)盡量小，以滿足不需要獨(dú)立外部電源情況下的功耗要求。

圖4 接口轉(zhuǎn)換模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)部分的功能主要有：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議的支持，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議到設(shè)備通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，兼容多種通信設(shè)備的通信協(xié)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(jìn)行開發(fā)。接收終端軟件使用微軟公司的軟件開發(fā)工具M(jìn)icrosoft Visual Basic 6.0來進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖5為發(fā)送端的工作流程，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送和響應(yīng)信息分析三部分。其中，響應(yīng)信息又包括系統(tǒng)響應(yīng)信息和通信響應(yīng)信息兩類（如圖6所示），系統(tǒng)響應(yīng)信息用于中間解釋層向觀測(cè)平臺(tái)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(gè)參數(shù)，表示指令是否正確接收；通信響應(yīng)信息是發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)后，接收端的回應(yīng)信息，它不具有參數(shù)，只是表示數(shù)據(jù)的正確接收。接收端的工作流程見圖7，它包括協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)兩部分。

圖5 發(fā)送端工作流程

圖6 響應(yīng)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(tái)通信的技術(shù)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)方案的可行性，作者基于“北斗”衛(wèi)星和超短波電臺(tái)通信進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

第一步進(jìn)行的是不使用中間解釋層的通信測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖見圖8。首先是基于“北斗”衛(wèi)星的通信實(shí)驗(yàn)。觀測(cè)平臺(tái)要采用“北斗”通信終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須嚴(yán)格按照“北斗”終端的指令格式開發(fā)專用的控制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)的接收、處理。同時(shí)，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(tái)的通信實(shí)驗(yàn)。從圖8可以看出，它需要將通信設(shè)備由“北斗”終端換成超短波電臺(tái)，但是如果不做其他更改，無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，觀測(cè)平臺(tái)必須按照超短波電臺(tái)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(shè)計(jì)專用的接收程序，這樣才能完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收與處理。對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行7 d的通信測(cè)試，通信周期為15 min，每天發(fā)送96條短報(bào)文，7 d共發(fā)送672條。

第二步是使用中間解釋層對(duì)通信過程進(jìn)行控制的通信測(cè)試，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖見圖9。由圖可知，與圖8相比，在觀測(cè)平臺(tái)與通信設(shè)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(shè)備之間增加協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，完成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和通信設(shè)備提供協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。首先進(jìn)行的是基于“北斗”衛(wèi)星的通信測(cè)試，觀測(cè)平臺(tái)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議開發(fā)通信控制程序，通信控制模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換程序完成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和通信設(shè)備提供的協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。然后進(jìn)行基于超短波電臺(tái)的通信測(cè)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(tái)，設(shè)置通信控制模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的通信方式為超短波電臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無需更改系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。同樣分別進(jìn)行7 d的通信測(cè)試，通信周期也為15 min，7 d共發(fā)送672條與上一個(gè)實(shí)驗(yàn)完全相同的短報(bào)文，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上一個(gè)實(shí)驗(yàn)基本一致。

圖8 無通信控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成圖

圖9 具有中間解釋層的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成圖

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究方案具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：第一，簡(jiǎn)化了發(fā)送端和接收端的軟件設(shè)計(jì)，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)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(shè)計(jì)上將軟硬件分離開來，實(shí)現(xiàn)了通信設(shè)備的即插即用。另外，此方案具有良好的通用性和擴(kuò)展性，應(yīng)用前景廣闊，可用于多種海上觀測(cè)平臺(tái)，相信能對(duì)我國(guó)海洋環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)起到推動(dòng)作用。

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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(xiàng)資助項(xiàng)目（200905031）。