趙 芬， 嚴(yán)頌華, 陳能成, 胡德正， 張訓(xùn)械

(1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072;2.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072;3.中國科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，湖北 武漢 430072)

利用無線傳輸?shù)腂DS
--R土壤濕度反演系統(tǒng)*

趙 芬1， 嚴(yán)頌華1, 陳能成2, 胡德正1， 張訓(xùn)械3

(1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072;2.武漢大學(xué) 測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072;3.中國科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，湖北 武漢 430072)

針對(duì)野外地區(qū)土壤濕度監(jiān)測時(shí)間長、數(shù)據(jù)采集量大的需求，提出了基于無線傳輸?shù)腂DS—R土壤濕度反演系統(tǒng)。以UM220—III N和GPRS DTU為核心構(gòu)建了北斗信號(hào)數(shù)據(jù)處理與無線傳輸模塊，將圓極化天線采集的北斗信號(hào)數(shù)據(jù)處理成NMEA 0183格式串行數(shù)據(jù)，并經(jīng)GPRS與Internet傳送至COMWAY無線串口服務(wù)器，再通過Microsoft Visual Studio 2008 軟件構(gòu)建的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟件提取服務(wù)器上的數(shù)據(jù),并保存至本地磁盤。選取了連續(xù)1個(gè)月的北斗C05衛(wèi)星信號(hào)信息進(jìn)行反射系數(shù)法反演土壤濕度實(shí)驗(yàn)，反演結(jié)果與原位濕度值相關(guān)系數(shù)達(dá)0.69，平均相對(duì)誤差為16.86 %，表明系統(tǒng)工作可靠性強(qiáng)，適用于長期遠(yuǎn)距離的野外地區(qū)土壤濕度反演。

BDS—R; 土壤濕度反演; 通用分組無線業(yè)務(wù); 無線串口服務(wù)器

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國擁有自主產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2013年底，我國公開發(fā)布了北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件和北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范，表明北斗系統(tǒng)已經(jīng)正式為中國和周邊國家提供服務(wù)。

目前，利用包括北斗系統(tǒng)在內(nèi)的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行遙感是一個(gè)熱點(diǎn)問題，例如：利用GPS衛(wèi)星反射信號(hào)對(duì)海洋進(jìn)行探測[1,2]、對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測研究[3]或是對(duì)地表土壤濕度進(jìn)行反演[4]，這些在國內(nèi)都已取得一定成果，但仍處在探索階段，且大部分是以GPS—R信號(hào)作為研究對(duì)象。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在具體的信號(hào)載波、解調(diào)上與GPS略有不同，利用BDS—R信號(hào)反演土壤濕度還存在很多挑戰(zhàn)。因此，應(yīng)用無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定且連續(xù)的北斗數(shù)據(jù)采集，對(duì)于遠(yuǎn)程土壤濕度反演有著重要的意義。

本系統(tǒng)的長期數(shù)據(jù)觀測站處于野外，采用通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)無線傳輸方式傳輸數(shù)據(jù)。GPRS繼承了GSM的優(yōu)良技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來[5]，它搭載在Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信已經(jīng)成為其發(fā)展趨勢。GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式有登陸快捷、傳輸速率高(達(dá)50 kbps)等特點(diǎn)[6]。系統(tǒng)中，需進(jìn)行無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為北斗信號(hào)的仰角、方位角、信噪比等，且需采用9 600 bps波特率進(jìn)行傳輸，選用GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式恰好能滿足要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由4個(gè)模塊構(gòu)成：北斗信號(hào)采集與處理模塊、串行數(shù)據(jù)無線傳輸模塊、終端數(shù)據(jù)提取模塊、太陽能供電模塊。系統(tǒng)包含直達(dá)與反射兩個(gè)通道，兩個(gè)通道除采用天線不一樣外，其余配置和信號(hào)處理流程基本一致。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 System structure diagram

天線采集的北斗信號(hào)傳入U(xiǎn)M220—III N進(jìn)行射頻和基

帶處理后，通過串口通信方式傳入GPRS DTU進(jìn)行無線發(fā)送，北斗串行數(shù)據(jù)歷經(jīng)GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)最終到達(dá)COMWAY 數(shù)據(jù)服務(wù)器。最后，客戶終端登陸COMWAY數(shù)據(jù)服務(wù)器，利用自主編寫的數(shù)據(jù)提取軟件Data.exe接收并存儲(chǔ)從服務(wù)器上緩存下來的數(shù)據(jù)，按年、月、日保存在本地磁盤。為驗(yàn)證系統(tǒng)工作的有效性，進(jìn)行了反射系數(shù)法反演土壤濕度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。反演結(jié)果與原位土壤濕度變化趨勢基本一致，說明利用無線傳輸?shù)腂DS—R系統(tǒng)反演土壤濕度可行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

因直達(dá)通道和反射通道具有相同的結(jié)構(gòu)，所以，本文重點(diǎn)介紹直達(dá)通道。

2.1 北斗信號(hào)采集與處理模塊設(shè)計(jì)

北斗信號(hào)是右旋圓極化波，系統(tǒng)直達(dá)通道采用右旋圓極化天線接收北斗直達(dá)信號(hào)，反射通道采用左旋圓極化天線(北斗直達(dá)信號(hào)經(jīng)過地面反射后絕大部分變成左旋圓極化波)接收北斗反射信號(hào)。天線選用浙江中裕有限公司的ZYAXX—N330型天線。

北斗信號(hào)處理模塊采用和芯星通公司的UM220—III N BD/GPS高性能雙模GNSS模塊，它能接收BD—2與GPS衛(wèi)星信號(hào)，具有低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，是系統(tǒng)中最重要的部分。UM220—III N模塊的RF端口接收天線傳入的信號(hào)，片上芯片完成北斗信號(hào)的捕獲、跟蹤及導(dǎo)航電文解調(diào)，異步通信口TX1輸出NMEA 0183格式數(shù)據(jù)并完成與DTU模塊通信，工作電壓為3.3 V，采用RP102N331B芯片將太陽能供電模塊5 V輸出電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V。此模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 北斗信號(hào)采集與處理模塊電路原理圖Fig 2 Circuit principle of BeiDou signal collecting and processing module

2.2 串行數(shù)據(jù)無線傳輸模塊

此模塊由串口通信模塊與GPRS DTU模塊組成。串口通信模塊將UM220—III N模塊與DTU模塊建立串口通信，具體電路如圖3所示。GPRS DTU傳輸模塊采用北京天城實(shí)業(yè)型號(hào)為WG—8010 的GPRS DTU，采用MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。對(duì)此DTU模塊配置為：通信協(xié)議COMWAY、波特率9 600 bps。完成配置后將移動(dòng)SIM卡插入DTU，它將自動(dòng)連接到COMWAY數(shù)據(jù)服務(wù)器。

圖3 DTU與UM220—III N模塊串口通信電路原理圖Fig 3 Principle of serial port communication circuit of DTU and UM220—III N module

2.3 太陽能供電模塊

觀測裝置安置在野外，周圍無電力設(shè)施且未靠近院落，北斗數(shù)據(jù)采集、處理及傳輸?shù)碾娔芫纱四K提供。本模塊采用JHKJoo1型18 V/60 W太陽能控制器、單晶硅太陽能電池板及12 V/20 A蓄電池搭配工作，太陽能控制器負(fù)載端輸出電壓為12 V，利用電壓轉(zhuǎn)換器YD10—12S05將輸出電壓轉(zhuǎn)換成5 V輸出。太陽光為此模塊全部電力來源，晴天時(shí)太陽能電池板為蓄電池充滿電之余為系統(tǒng)供電，陰雨天氣時(shí)由蓄電池供電，具體電路原理設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 太陽能供電模塊電路原理圖Fig 4 Principle diagram of solar power module circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端數(shù)據(jù)保存軟件

COMWAY串口服務(wù)器上只能緩存數(shù)據(jù)，不能長期保存，故需用軟件在終端進(jìn)行提取并保存。本系統(tǒng)采用Microsoft VS(visual studio)2008工具編寫的軟件Data.exe來提取和保存緩存數(shù)據(jù)。首先利用串口服務(wù)器軟件登陸COMWAY數(shù)據(jù)服務(wù)器，將其虛擬串口與Data.exe軟件中配置一致。設(shè)置Data.exe軟件中輸入緩沖區(qū)為1 024 byte，輸出緩沖區(qū)為512 byte。

Data.exe開始工作時(shí)，串口初始化后被打開，這時(shí)北斗串行數(shù)據(jù)將被緩存入串口，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)量達(dá)到1 024 byte時(shí)，串口事件消息處理函數(shù)OnComm()被調(diào)用，實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)將被顯示在GUI(graphical user interface)，并被逐塊寫入本地文本文檔，這些文檔是按年、月、日方式進(jìn)行命名的。此軟件詳細(xì)工作流程如圖5(a)所示。

3.2 定時(shí)重啟軟件

系統(tǒng)是持續(xù)長期工作的，為防止串口服務(wù)器軟件Wsler.exe和Data.exe軟件長期工作崩潰而造成數(shù)據(jù)接收中斷不連續(xù)，編寫了定時(shí)重啟軟件Monitor.exe來定時(shí)重啟Wsler.exe和Data.exe。Monitor.exe工作時(shí)，計(jì)時(shí)為1(北京時(shí)間12:00點(diǎn))時(shí)，監(jiān)視函數(shù)MonitorData()被調(diào)用，它負(fù)責(zé)監(jiān)視Data.exe軟件是否正常工作，若Data.exe工作不正常，則對(duì)其進(jìn)行重啟；否則，什么都不做。當(dāng)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)為2(北京時(shí)間24:00點(diǎn))時(shí)，SystemShutdown()函數(shù)被調(diào)用，Wsler.exe與Data.exe將被關(guān)閉，接下來AutoRun()函數(shù)將被執(zhí)行，將上述被關(guān)閉的軟件進(jìn)行重啟，北斗數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)又開始。其詳細(xì)工作流程如圖5(b)所示。

圖5 客戶端軟件程序設(shè)計(jì)程序流程圖Fig 5 Program design flow charts of client terminal software

經(jīng)過粗略計(jì)算，每天傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為60 Mbyte，每月大約需耗2 Gbyte GPRS流量，成本在可以接受的范圍內(nèi)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)通過反射系數(shù)法反演土壤濕度實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)工作的有效性。系統(tǒng)硬件構(gòu)架安裝在武漢豹澥地區(qū)一塊開闊的薄草地上，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物裝置Fig 6 System physical device

本實(shí)驗(yàn)采用反射系數(shù)法反演土壤濕度[7,8]，具體流程如圖7所示。式(1)為土壤表面反射系數(shù)表示式

(1)

式中 Γ為土壤表面反射系數(shù)，a=sinγ，b=cos2γ，γ為北斗衛(wèi)星仰角，εr為土壤介電常數(shù)。

圖7 反射系數(shù)法反演土壤濕度算法流程Fig 7 Algorithm process of soil moisture inversion by reflection coefficient method

實(shí)驗(yàn)提取的是利用本系統(tǒng)采集的從2014年11月14日～2014年12月14日連續(xù)30天的北斗地球靜止軌道衛(wèi)星C05的直達(dá)與反射信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)其仰角、方位角、信噪比等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終結(jié)合式(1)和Hallikainen經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚9]反演得到土壤濕度值和原位濕度觀測值(%RH)如圖8所示，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.69，反演平均相對(duì)誤差為16.86 %。反演結(jié)果相對(duì)于實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定差異是由信號(hào)干涉造成的，但從整體的趨勢來看，此系統(tǒng)能夠較精確地反演該地區(qū)土壤濕度。

圖8 反演土壤濕度值與原位觀測值對(duì)比Fig 8 Comparison between retrieved soil moisture and the in-situ observation values

5 結(jié) 論

本文對(duì)利用無線傳輸?shù)腂DS—R土壤濕度反演系統(tǒng)結(jié)

構(gòu)、系統(tǒng)硬件構(gòu)成、終端軟件設(shè)計(jì)幾個(gè)方面作了詳細(xì)介紹，又利用BDS—R現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)工作的有效性，達(dá)到了BDS—R反演土壤濕度的目的。下一步要解決長期的陰雨天氣供電不足、優(yōu)化反演模型提高反演精度等問題。

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BDS--R soil moisture retrieving system using wireless transmission*

ZHAO Fen1, YAN Song-hua1, CHEN Neng-cheng2, HU De-zheng1, ZHANG Xun-xie3

(1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China；2.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying,Mapping and Remote Sensing,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3.Wuhan Institute of Physics and Mathematics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072,China)

Aiming at requirements of long time field area soil moisture monitoring and large quantity of data collection,soil moisture retrieving system,BeiDou satellite system-reflectometer (BDS—R) based on wireless transmission is proposed.Constituted by UM220—III N and GPRS DTU modules as its core,BeiDou signal processing and wireless data transmission modules are built up,BeiDou signal are collected by circularly polarized antenna and processed into NMEA 0183 format serial data and transmitted to wireless serial server COMWAY via GPRS and the Internet.Log on serial server and use data saving software compiled by Microsoft Visual Studio 2008 software to extract data and save it into local disks.One month consecutive signal information of BeiDou C05 satellite are selected for soil moisture inversion experiment by reflection coefficient method,correlation coefficient between inversion results and the in-situ humidity values reach to 0.69,average relative error is 16.86 %,which proves that reliability of the system is really good,it is suitable for long distance field area soil moisture inversion for a long time.

BDS—R; soil moisture retrieving; GPRS; wireless serial server

10.13873/J.1000—9787(2015)10—0079—04

2015—07—17

國家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB707101);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2042015GF0018)

TP 79

: A

: 1000—9787(2015)10—0079—04

趙 芬(1989-),女,湖北荊州人，碩士研究生,主要從事GNSS—R技術(shù)在土壤濕度反演方面的研究。