王春曉, 王 旭, 劉長華, 賈思洋

(中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071)

目前, 不斷出現(xiàn)的涉及海洋氣象、海面表層、水體剖面以及海底的新型觀測技術(shù), 由于實時通信技術(shù)手段的應(yīng)用, 基本可以對海洋進行實時、連續(xù)、長期、全方位地立體監(jiān)測, 實現(xiàn)真正意義上的“透明”海洋。海洋綜合觀測浮標(biāo)是一種用于實時獲取海洋氣象、水文、水質(zhì)、生態(tài)、動力等參數(shù)的漂浮式自動化監(jiān)測平臺, 是隨著科技發(fā)展和海洋科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測及預(yù)報的需要而迅速發(fā)展起來的新型海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備, 具有實時、連續(xù)、長期、全天候和自動化等優(yōu)點, 也是當(dāng)前國際、國內(nèi)主流、重要、可靠、穩(wěn)定的海洋觀測技術(shù)手段之一, 因此其技術(shù)水平的升級和研發(fā)受到世界各國的極大重視和大力發(fā)展[1-2]。

為保障觀測數(shù)據(jù)獲取的完整性, 國內(nèi)外大部分海洋綜合觀測浮標(biāo)均采用GSM(Global System for Mobile Communications, 全球移動通信系統(tǒng))、高頻通信、衛(wèi)星通信、GPRS(General Packet Radio Service, 通用分組無線業(yè)務(wù))和CDMA(Code Division Multiple Access, 碼分多址)等多種無線通信方式來實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸, 其中應(yīng)用于我國近海的海洋綜合觀測浮標(biāo), 通常采用CDMA、CPRS和北斗3種通信方式[2-4]。譬如中國科學(xué)院近海海洋觀測研究網(wǎng)絡(luò)的黃海站和東海站在黃、東海海域布放的海洋綜合觀測浮標(biāo)均采用了至少兩種通信方式進行優(yōu)勢互補, 距離岸邊較近的采用CDMA+GPRS的組合, 距離岸邊較遠(yuǎn)的采用CDMA/GPRS+北斗的組合。在每一個觀測數(shù)據(jù)發(fā)送周期, 通信系統(tǒng)中的全部通信模塊均上電工作, 按相應(yīng)的方式發(fā)送觀測數(shù)據(jù), 陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實時接收來自多個海洋綜合觀測浮標(biāo)以各種方式發(fā)送的全部觀測數(shù)據(jù), 并對這些數(shù)據(jù)進行處理、顯示和存儲。這種通信方案的優(yōu)點是盡可能地保證觀測數(shù)據(jù)的全面完整性, 但由于各通信模塊屬于獨立運行, 缺乏統(tǒng)一管理, 因此存在重要數(shù)據(jù)缺失、相同數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送、系統(tǒng)功耗較大等問題。針對上述問題, 本文設(shè)計了一種用于海洋綜合觀測浮標(biāo)的多種通信方式集成系統(tǒng), 將各通信模塊進行集成管理, 在每個數(shù)據(jù)發(fā)送周期, 只選擇當(dāng)前信號質(zhì)量最優(yōu)的通信方式將浮標(biāo)的觀測數(shù)據(jù)實時發(fā)送到陸基接收站。

1 海洋綜合觀測浮標(biāo)原通信系統(tǒng)存在的不足

1.1 重要數(shù)據(jù)缺失

海洋綜合觀測浮標(biāo)的觀測參數(shù)通常包括氣象(氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)速風(fēng)向、能見度、雨量)、水文(波浪、剖面海流、水溫、鹽度)和水質(zhì)(濁度、葉綠素、溶解氧)等等, 每個周期的數(shù)據(jù)量比較大, 而北斗一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量卻比較小, 因此在使用北斗方式進行數(shù)據(jù)傳輸時只能將一組觀測數(shù)據(jù)分成若干子包進行分時傳輸, 而當(dāng)其中任何一個子包發(fā)生錯誤或丟失就會導(dǎo)致這組觀測數(shù)據(jù)無法使用[5]。此外, 陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)要同時接收多個浮標(biāo)的觀測數(shù)據(jù), 但不同浮標(biāo)的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率各不相同(1次/10 min、1次/30 min或1次/ h), 在某一時間點上(尤其是整點時刻)大量浮標(biāo)同時發(fā)送數(shù)據(jù)就會造成數(shù)據(jù)接收擁塞, 甚至造成數(shù)據(jù)丟包的情況。綜合考慮上述問題, 為了保證北斗通信的暢通和有效, 使用北斗發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)分為3個子包[6], 并且不包含風(fēng)、氣溫、濕度、氣壓等氣象參數(shù)的分時數(shù)據(jù), 這些分時數(shù)據(jù)只能通過CDMA或GPRS傳輸。因此, 當(dāng)CDMA或GPRS信號偏弱時, 無法實時了解氣象的分時變化, 而在極端天氣和應(yīng)急情況下的氣象分時數(shù)據(jù)卻尤為重要。

1.2 相同數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送

當(dāng)使用的各通信方式信號均比較強時, 浮標(biāo)的同一組觀測數(shù)據(jù)就會重復(fù)發(fā)送, 同時接收多個浮標(biāo)每種通信方式發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)會導(dǎo)致服務(wù)器運行緩慢, 數(shù)據(jù)接收滯后, 甚至造成系統(tǒng)死機, 多條相同的觀測數(shù)據(jù)同時也增加了數(shù)據(jù)處理、存儲和管理的工作量。

1.3 通信系統(tǒng)功耗較大

海洋綜合觀測浮標(biāo)主要采用太陽能板-蓄電池聯(lián)合供電方式, 因而電力較為有限。當(dāng)前的通信系統(tǒng)在每個觀測數(shù)據(jù)發(fā)送周期, 各個通信模塊均上電工作, 因此整體功耗較大。一些小型浮標(biāo)由于可安裝的蓄電池容量有限, 供電能力較弱而無法使用北斗通信方式。

2 多種通信方式集成系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

浮標(biāo)原通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案如圖1所示, 浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器定時采集海洋觀測傳感器的觀測數(shù)據(jù), 然后分別傳輸給DTU(Data Transfer Unit, 無線通信網(wǎng)絡(luò)進行傳送的無線終端設(shè)備)和北斗模塊, 并通過各自的天線發(fā)送到陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)進行存儲、處理和顯示。多種通信方式集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案如圖2所標(biāo), 浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器定時采集海洋觀測傳感器的觀測數(shù)據(jù), 然后傳輸給多種通信方式集成系統(tǒng), 該系統(tǒng)通過判斷通信信號強度選擇當(dāng)前最優(yōu)的通信方式將浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng), 同時還對信號強度數(shù)據(jù)和浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)進行存儲, 為后期進行通信信號分析提供數(shù)據(jù), 并對浮標(biāo)觀測原始數(shù)據(jù)進行備份。

圖1 浮標(biāo)原通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案 Fig. 1 Data transmission scheme of the original buoy communication system

圖2 多種通信方式集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案 Fig. 2 Data transmission scheme of the multi-communication system

多種通信方式集成系統(tǒng)主要具備以下功能:

(1) 實時接收浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器的觀測數(shù)據(jù)。

(2) 實時接收陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)服務(wù)器反饋的通信鏈接是否成功建立以及數(shù)據(jù)是否成功接收等重要回執(zhí)信息, 并將這些信息發(fā)送給浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器。

(3) 實時檢測通信模塊的信號強度。

(4) 根據(jù)信號強度情況, 選擇最優(yōu)通信方式給相應(yīng)的通信模塊上電并發(fā)送浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)。

(5) 將信號強度數(shù)據(jù)以及浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)進行存儲。

(6) 可通過相關(guān)外設(shè)進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)下載。

(7) 預(yù)留艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測通道, 后期可增加艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測量。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)選用超低功耗的單片機作為MCU (Microcontroller Unit, 微控制單元)構(gòu)建控制模塊, 利用MCU的5個串口搭配外圍電路, 實現(xiàn)系統(tǒng)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器以及各通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸, 電路板上集成了CDMA模塊和GPRS模塊, 并外接北斗一體機(圖3)。 供電模塊分別通過三極管和DC-DC芯片兩種方式給系統(tǒng)供電, 根據(jù)各單元供電需求可提供的電壓有12、9、5和3.3 V; AD模擬量接口為系統(tǒng)預(yù)留通道, 后期可根據(jù)需要采集相關(guān)傳感器的測量數(shù)據(jù)從而監(jiān)測浮標(biāo)艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)。MCU選擇MICROCHIP公司新推出的型號為PIC32MXF575F512L的單片機進行系統(tǒng)開發(fā), 該芯片是性能優(yōu)良的超低功耗32位單片機, 具有豐富的外設(shè)功能部件和增強的計算性能[7]。存儲系統(tǒng)主要使用SD卡來存儲CDMA和GPRS通信信號強度數(shù)據(jù)以及從浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器獲得的DTU數(shù)據(jù)和北斗數(shù)據(jù), 并設(shè)計了相應(yīng)的文件系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)硬件框架圖 Fig. 3 Hardware frame diagram of the system

2.2.2 工作模式切換控制

系統(tǒng)使用的3種通信模塊在進行參數(shù)配置以及工作模式切換時需通過不同的軟件和各自的通道分別操作, 給系統(tǒng)的設(shè)置以及后期維護調(diào)試帶來諸多不便。針對該問題, 項目組經(jīng)過討論和測試最終選擇物理開關(guān)實現(xiàn)工作模式切換以及參數(shù)配置通道選擇的技術(shù)方案, 方便系統(tǒng)設(shè)置和調(diào)試。物理開關(guān)選用2位撥碼開關(guān)(圖4), 可以切換4種模式, 當(dāng)撥碼開關(guān)的狀態(tài)為00時, 系統(tǒng)工作模式為數(shù)據(jù)傳輸模式, 即在浮標(biāo)上的正常工作模式, 進行通信方式的選擇以及觀測數(shù)據(jù)的傳輸; 當(dāng)撥碼開關(guān)的狀態(tài)為01時—03時, 分別為CDMA模塊、GPRS模塊和北斗模塊的配置模式, 可以通過計算機對模塊進行參數(shù)配置或檢測。

圖4 撥碼開關(guān) Fig. 4 Dial code switch

2.2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示, 系統(tǒng)上電后首先監(jiān)測撥碼開關(guān)狀態(tài)來判斷系統(tǒng)當(dāng)前的工作模式, 如果是配置模式, 則根據(jù)撥碼開關(guān)的狀態(tài)打開對應(yīng)模塊的配置通道, 此時可以使用外部計算機進行模塊的參數(shù)配置; 如果是通信模式, 首先對存儲系統(tǒng)進行初始化, 然后實時偵聽浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器的DTU通道和北斗通道是否有數(shù)據(jù), 只要有數(shù)據(jù)就進行存儲, 并開始檢測通信模塊信號強度并進行存儲, 根據(jù)當(dāng)前信號強度來選擇最優(yōu)的通信方式給相應(yīng)的通信模塊上電并進行數(shù)據(jù)發(fā)送, 當(dāng)確認(rèn)本周期數(shù)據(jù)傳輸完成后將通信模塊斷電, 等待下個數(shù)據(jù)采集周期繼續(xù)重復(fù)上述過程, 保證陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實時接收浮標(biāo)以最優(yōu)通信方式發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)。其中最優(yōu)通信方式選擇的方法如圖6所示, 如果CDMA的信號強度QC和GPRS的信號強度QG都小于閾值Q0, 則給北斗模塊上電, 并將北斗通道傳來的數(shù)據(jù)通過北斗方式進行發(fā)送; 如果QC≥QG≥Q0, 則給CDMA模塊上電, 并將DTU通道傳來的數(shù)據(jù)通過CDMA方式進行發(fā)送; 如果Q0≤QG＜QC, 則給GPRS模塊上電, 并將DTU通道傳來的數(shù)據(jù)通過GPRS方式進行發(fā)送。

圖5 多種無線通信方式集成系統(tǒng)軟件流程圖 Fig. 5 Software flowchart of the multi-communication system

圖6 最優(yōu)通信方式選擇方法 Fig. 6 Optimal communication mode selection method

表1 2018年07號浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收情況 Tab. 1 Data reception of buoy No. 07 in 2018

3 系統(tǒng)海上測試

研制完成的多種通信方式集成系統(tǒng)于2017年12月4日在中國科學(xué)院近海海洋觀測研究網(wǎng)絡(luò)黃海站的07號浮標(biāo)完成集成安裝和系統(tǒng)調(diào)試, 并順利通過近岸拷機試驗。最終, 該系統(tǒng)于2017年12月14日隨浮標(biāo)完成海上布放, 每半個小時發(fā)送一組觀測數(shù)據(jù)。到目前為止, 浮標(biāo)已經(jīng)在海上穩(wěn)定運行超過12個月, 陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收連續(xù)完整。表1統(tǒng)計了07號浮標(biāo)安裝多種通信方式集成系統(tǒng)后2018年度每個月接收數(shù)據(jù)的情況, 可以計算全年99.35%的觀測數(shù)據(jù)通過CDMA方式發(fā)送, 0.05%的觀測數(shù)據(jù)通過GPRS方式發(fā)送, 0.6%的觀測數(shù)據(jù)通過北斗方式發(fā)送。海上連續(xù)長期的試驗表明該系統(tǒng)嚴(yán)格按照設(shè)定的程序?qū)Ω?biāo)各通信方式進行管理, 并且運行穩(wěn)定可靠, 功能達(dá)到設(shè)計要求。盡管多種通信方式集成系統(tǒng)的應(yīng)用增加了浮標(biāo)通信系統(tǒng)額外的功耗, 但其本身的功耗相對于各個通信模塊的功耗非常低, 從而降低了浮標(biāo)通信系統(tǒng)的整體功耗。經(jīng)過測試, 多種通信方式集成系統(tǒng)本身的平均功耗分別為CDMA通信模塊的23.78%, 為GPRS模塊的34.82%, 為北斗通信模塊的7.93%。結(jié)合07號浮標(biāo)2018年度的數(shù)據(jù)接收情況可計算出其通信系統(tǒng)的年功耗相比安裝GPRS+CDMA的方式降低了25.75%, 相比安裝GPRS+ 北斗的方式降低了66.07%, 相比安裝CDMA+北斗的方式降低了68.76%。

4 結(jié)論

海洋綜合觀測浮標(biāo)系統(tǒng)是海洋科學(xué)研究獲取海 洋數(shù)據(jù)的重要設(shè)施, 其數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)實時獲取的關(guān)鍵部分, 本文設(shè)計的多種通信方式集成系統(tǒng)重點解決了現(xiàn)有海洋綜合觀測浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信存在的問題, 既保證浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)的接收實時完整性, 又避免相同數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送, 減輕陸基接收服務(wù)器數(shù)據(jù)管理、分析的工作量, 同時還降低了浮標(biāo)通信系統(tǒng)的整體功耗。通過海上試驗已經(jīng)驗證該系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于我國近海各類海洋綜合觀測浮標(biāo)系統(tǒng)中, 具有較好的實用價值。此外, 該系統(tǒng)還預(yù)留了浮標(biāo)艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測通道, 后期配合相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收軟件, 可擴展對浮標(biāo)儀器艙內(nèi)溫度、濕度以及壓力等參數(shù)進行實時監(jiān)測的功能, 確認(rèn)艙內(nèi)設(shè)備和工作環(huán)境是否安全; 并且還可擴展北斗定位功能, 當(dāng)浮標(biāo)安裝的GPS因天線故障或信號偏弱等原因定位失敗時, 可遠(yuǎn)程開啟北斗定位, 及時跟蹤浮標(biāo)的位置信息, 提升浮標(biāo)運行的安全性。