基于北斗衛星通信的海洋監測系統研究

趙榮陽 劉志先 姜 愉 魏 博

(欽州學院 電子與信息工程學院，廣西 欽州 535011)

基于北斗衛星通信的海洋監測系統研究

趙榮陽 劉志先 姜 愉 魏 博

(欽州學院 電子與信息工程學院，廣西 欽州 535011)

文章介紹了海洋立體監測系統的整體結構，依托北斗衛星通信系統，構建海洋與陸地信息之間的數據傳輸網絡；結合嵌入式技術 、Z i g b e e通信技術，通過太陽能與電池交叉供電，實現海面監測浮標網絡子系統；水下以水聲信道通信方式，部署傳感器監測子系統，從而達到對海洋水下多層次監測的目的。

北斗衛星；浮標；Z i g b e e；水聲信道

1 引言

全球的海洋面積廣闊，礦產、生物等各類資源豐富。近年來包括海洋石油資源開采、海洋旅游、圍海造田等多個方面的海洋開發，在促進了海洋經濟發展的同時，也造成了海洋環境質量的下降，使得海洋的生態系統更加脆弱，特別是近海海域的環境污染給海洋漁業、海洋養殖帶來了較為嚴重的問題。因此，較為完善的海洋監測體系在海洋發展與保護過程中具有重要的意義。

2 立體監測系統整體結構

國外關于海洋環境監測的研究相對成熟，例如美國的AOSNs(Autonomous Ocean Sampling Networks) 項 目[1]、PLUSNet(Persistent Littoral Undersea Surveillance Network)[2]研究計劃等以構建水下數據采集、數據傳輸的立體監控網絡，實現海洋環境物理特性的監測與采樣。國內海洋監測方面的技術研究與實施起步較晚，但是發展較為迅速，多方面的理論成果為建立海洋立體監測體系，提供了理論基礎及關鍵技術研究等方面的支撐。海洋立體監測體系一般包括：水下的傳感器節點、水面浮標節點、空間衛星、地面信息發射、接收站、監測數據信息中心等方面，海洋立體監測系統結構框圖如圖1所示。

圖1 海洋立體監測系統框圖

3 海面浮標監測子系統

3.1 北斗衛星系統簡介

目前，在遠洋航海過程中，主要采用基于衛星通信的全球海事遇險與安全系統(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)來實現海事衛星通訊、定位、地面通信、海上安全信息播放和遇險報警等業務[3]；近海的海洋監測系統中通常采用GPRS、CDMA等方式實現海洋數據信息與地面數據中心的通信[4]。

我國的北斗區域衛星導航系統(也稱北斗 2代 1期)于2012年12月27日正式開始運行，系統由14顆衛星組成,包括5顆地球靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星和4顆中圓地球軌道衛星[5]。北斗衛星導航驗證系統已在多個領域得到成功應用，并發揮了重要作用，包括：通信、水利、減災、海事、海洋漁業、交通、勘探、森林防火等等，其應用的顯著特點是集定位、授時、短報文通信及用戶監測于一體[6]。北斗衛星系統的應用，為海洋立體監測帶來了一個嶄新的發展未來。

3.2 北斗通信模塊設計

在海洋立體監測系統中，海面監測浮標作為淺表海水監測節點的同時，還可以作為連接水下傳感器網絡與地面數據中心的通道。北斗衛星系統與海洋監測浮標相結合，通過短報文傳輸模式，將數據從海面傳輸到陸地的數據接收節點。其中，傳輸的數據既包括海洋浮標本身所采集的海洋水質、環境數據 ，如 PH 值、溫度、鹽度等[7]，海面監測浮標上安裝水下傳感器網絡接收模塊（聲波接收模塊、串口）接收水下傳感器網絡采集的不同海水深度下的水質數據信息，通信模塊微處理器將采集數據按照北斗衛星短報文格式進行封裝，通過安裝在浮標上的北斗通信控制發送模塊，將北斗衛星的短報文數據信息發送到地面接收站，地面接收站的北斗接收模塊接收并解析數據，存儲于海洋信息監測中心數據庫。北斗通信發送模塊框圖如圖2所示。

圖2 北斗通信發送模塊框

3.3 供電電源模塊

海洋監測浮標采用太陽能供電電源，電池作為后備電源，兩種供電方式交叉工作，太陽能優先。當陽光充足、太陽能供電電量充分時，系統優先選擇太陽能供電，并為后備電池充電；當太陽能供電電量不足時，系統切換為電池供電，從而確保系統的長時間穩定運行。系統太陽能充電管理采用CN3083芯片，CN3083能夠在不同太陽光照輸入情況下，自動調節充電電量，無需過多的人為干涉，較為適合野外、海洋等環境應用，并具有溫度監測、低功耗模式等特點，且外圍電路簡單，易于實現。電源管理模塊原理圖如圖3所示。

圖3 電源管理模塊原理圖

3.4 無線網絡節點設計

系統采用 Zigbee無線模塊，通過自組網的方式，實現近海岸的監測WSN。Zigbee節點價格便宜、功耗低，具有多種網絡拓撲結構，易于構建，適用于 2.4G 通頻段[8-10]。TI公司的CC2530集成了 51處理器、RF 射頻器，支持多種類型 Zigbee協議棧，在不同工作模式下，便于實現喚醒與休眠之間的切換，適用于海洋、野外等多種工作環境。無線監控網絡中不同類型的節點硬件電路設計基本一致，但需要在軟件部分完成協調節點、終端節點等的注冊工作，并對設備進行定義[11]。

4 水下傳感器監測子系統

海洋浮標在水質、環境的監測中，配合潛標、水下傳感器網絡等具有不同測量任務的模塊，能夠進一步完善整個海洋監測體系，對人類認識海洋、了解海洋、開發海洋具有積極的意義。

4.1 水下傳感器網絡節點

水下傳感網絡通常是指部署在海洋特定區域不同深度、具有耗能低、距離短等特點的數據采集節點，并能夠實現自組網的網絡系統[12]。水下傳感器網絡根據節點深度不同 ，主要有二維和三維兩種網絡結構，其中二維節點通常固定在海底、三維節點依據監測需要分布在不同深度的海水中，其通信主要有無線電、激光、水聲信道等方式[1,12]。

通過將海面監測浮標與海洋水下傳感器網絡節點實現通信，從而構建立體海洋監測系統，并且在部署水下傳感器網絡節點時，海面浮標與水下匯聚節點之間傳輸采用串口、聲波收發方式相互配合完成采集數據的通信傳輸。水下傳感器節點自組網完成之后，由于距離對水聲信道傳輸的影響，各節點采集數據通過多跳通信傳輸數據[13]，利用垂直、水平聲波收發器，接收水下各個節點采集的數據，并將數據傳送到匯聚節點[14]。然后 ，匯聚節點通過串口、聲波傳送到海面浮標，最后經由安裝在浮標上的北斗通信控制發送模塊，以短報文形式發送到地面接收站。水下傳感器網絡節點硬件結構圖如圖4所示。

圖4 水下傳感器網絡節點硬件結構圖

4.2 軟件設計

水下傳感器網絡的節點類型，根據功能不同，有匯聚節點與終端數據采集節點之分[13]。匯聚節點在網絡中主要負責接收網絡終端節點所采集數據，并按照指定格式封裝傳輸回地面接收站；終端節點在初始化后，與匯聚節點完成自動組網工作，進入休眠狀態。當終端節點收到數據采集命令時，或者到達提前設定采集數據時間段時，終端節點開始采集數據，數據采集時限到達后，保存數據，并將數據發送至匯聚節點[15]。軟件流程圖如圖 5所示。

5 結束語

伴隨著我國北斗衛星系統的逐步成熟，其應用范圍會越來越廣泛。物聯網技術、嵌入式技術的發展，微電子技術的進步，使得水下傳感器網絡節點的續航、數據采集、通信等方面能力逐漸完善，海洋監測浮標、海面基站的建設能力、功能也越來越強。將北斗衛星系統應用到海洋環境、生態、安全等方面的監測，結合海洋浮標系統、水面基站、水下傳感器網絡，構建立體海洋監測系統，是未來海洋開發、保護的必然選擇。

圖5 軟件流程圖

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Study on Ocean Monitoring Systems Based on Beidou Satellites System

Zhao Rongyang Liu Zhixian Jiang Yu Wei Bo
(QinZhou University,Qinzhou 535011,Guangxi)

This paper introduces the overall structure of ocean tridimensional monitoring systems.It builds a network for data transmission between sea and land based on Beidou satellites system.With the embedded technology and zigbee technology,it takes solar energy and battery for power supply to monitor the subsystem of buoy.Communicating with the underwater acoustic channel, sensors are by deployed to monitor the subsystem,so as to achieve tridimensional monitoring of the ocean.

Beidou satellites system;Buoy;Zigbee;underwater acoustic channe

TP393

A

1008-6609(2017)05-0043-04

趙榮陽（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，講師，研究方向為嵌入式系統。

水下傳感器網絡高效能信息感知模型研究（2017K Y 0803）；欽州市物聯網先進技術重點實驗室