基于北斗衛星導航系統的海洋環境監測系統

楊軍平 于曉豐 武斌 宗干 王敏

摘要：為提高我國海洋環境監測技術水平，保障海洋環境信息安全，文章基于我國自主研發的北斗衛星導航系統，設計海洋環境監測系統。研究結果表明：基于北斗衛星導航系統的海洋環境監測系統包括北斗海洋環境監測終端和海洋信息綜合服務平臺2個部分，具有實時定位、實時監測、數據處理、信息預警、電子圍欄、數據總覽和用戶管理7項功能;終端集成微控制單元和傳感器等模塊，平臺包括服務器等硬件和數據處理等軟件;經實地部署和嚴格測試，系統功能和性能均達到設計要求，且安全、穩定、方便和實用。

關鍵詞：短報文;傳感器;定位;通信技術;數據安全

Abstract：In order to improve the technical level of marine environment monitoring and ensure the safety of marine environment information，this paper designed a marine environment monitoring system based on Beidou satellite navigation system （BDS） independently developed by China.The results showed that the marine environment monitoring system based on BDS includes Beidou marine environment monitoring terminal and marine information integrated service platform，with 7 functions of real-time positioning，real-time monitoring，data processing，information warning，electronic fence，data overview and user management.The terminal integrates micro control unit，sensors and others.The platform includes hardware such as servers and software such as data processing.The strict field test proves that the functions and performance of this system meet the design requirements，and the system is safe，stable，convenient and practical.

Key words：Short message，Sensor，Positioning，Communication technology，Data security

0 引言

隨著全球陸地資源的日益匱乏，越來越多的國家把目光投向海洋，海洋經濟成為沿海國家經濟的重要支柱[1]。通過實時和長期的海洋環境監測掌握海洋環境信息，對于海洋權益維護、海洋防災減災和海洋生態環境保護等具有重要意義，為合理開發利用海洋資源提供可靠的科學依據[2-3]。

目前全球海洋環境監測技術不斷向智能化發展，大量智能化設備被研發和應用，為更好地研究、開發利用和保護海洋提供更豐富的數據。我國海洋資源豐富，在海洋環境監測方面具有多年的研究基礎和技術積累，也涌現一批先進的海洋環境監測設備，而智能化對設備通信的穩定性和安全性提出更高的要求。目前我國已有的海洋環境監測設備通常采用國際海事衛星或ARGO衛星等進行數據傳輸和管理，這些系統均由國外研發，保密性和自主性不高，不利于國家海洋安全[3-4]。

北斗衛星導航系統是我國具有自主知識產權的衛星導航系統，具有快速定位、精密授時和短報文收發等功能。其中，北斗短報文以北斗衛星為中繼站進行數據中轉，實現設備之間的雙向通信，具有覆蓋范圍廣、無通信盲區和數據傳輸加密等優勢，完全可以替代國外衛星系統在海洋環境監測中的應用[4-6]。

本研究將短報文通信和移動通信相結合，設計基于北斗衛星導航系統的海洋環境監測系統，可實現對海洋環境的遠程、實時、自動和全天候監測，穩定性和安全性高。

1 系統功能和性能

基于北斗衛星導航系統的海洋環境監測系統包括北斗海洋環境監測終端和海洋信息綜合服務平臺2個部分。北斗海洋環境監測終端具有定位、通信和數據采集等功能，將采集的數據通過短報文或移動通信網絡傳輸至海洋信息綜合服務平臺;平臺接收數據后，對數據進行實時處理和分析，形成相應的數據庫并存儲和發送（圖1）。

系統主要具有7項功能。①實時定位：實時定位終端并在電子海圖上動態顯示;②實時監測：實時監測溫度、鹽度、pH值和葉綠素等多種海洋環境參數變化，尤其是水質變化，并可根據用戶需求定制監測內容;③數據處理：實時和快速地解析、分析和存儲采集的數據;④信息預警：當監測值超過預設的標準值時，系統自動向用戶發送預警信息，同時對采集的數據進行比對分析，預測海洋環境變化趨勢，輔助用戶識別風險;⑤電子圍欄：用戶可將終端置于特定區域并通過平臺設定，如終端移出設定區域，系統自動向用戶發送警告信息;⑥數據總覽：統計終端在一定時間內的位置信息和監測數據信息等，可對終端監測情況進行跟蹤和回放，詳細掌握海洋環境變化規律;⑦用戶管理：個人用戶管理包括個人用戶的基本信息和權限等，設備管理包括設備的基本信息、綁定和解綁等。

北斗海洋環境監測終端和海洋信息綜合服務平臺的性能如表1和表2所示。

2 系統設計

2.1 北斗海洋環境監測終端

北斗海洋環境監測終端集成微控制單元以及傳感器、北斗、數據存儲、移動通信、人-機交互和電源等模塊（圖2）。

微控制單元的主控芯片采用STM32F103R8T6，其是ST旗下常用的增強型系列微控制器，通常可用于電機驅動、應用控制、手持設備和GPS平臺等。該芯片芯體為32位，存儲器容量為64 KB，最高主頻可達72 MHz，完全滿足系統性能需求。

移動通信模塊采用SIM800L，其是LGA封裝的四頻GSM/GPRS模塊，性能穩定，外觀精巧，性價比高。該模塊采用工業標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可實現語音和短信等數據的傳輸，且功耗較低。

北斗模塊采用FB3511，其適用于無人區以及電力、氣象、水利、地質和石油等領域的數據傳輸。該模塊集成RDSS射頻收發芯片、功放芯片和基帶電路，可實現雙向北斗短報文通信，支持北斗或GPS單模定位以及雙模聯合定位。

傳感器模塊根據實際需求集成相關傳感器，通過預留硬件接口，可擴展最多4個類型的傳感器。

2.2 海洋信息綜合服務平臺

為節約成本，平臺硬件采用第三方托管的形式，主要包括服務器、存儲器和防火墻等。①服務器采用RH5885H V3，其配置為12個英特爾至強E7-4850 V4處理器（主頻2.1 GHz，16核）和48個32 G的DDR4 RDIMM內存，采用Windows Server 2008操作系統;②存儲器采用Ocean Stor 5300 V3，其配置為混合閃存、30 T硬盤、32 G內存和4端口Smart IO I/O模塊（SFP+，8 GB FC），采用SQL Server 2008數據庫系統;③防火墻采用USG 6370，其配置為4G SDRAM內存，吞吐量為4 GB/s（IPSec吞吐量為3 GB/s），具有入侵和病毒防御、數據防泄漏、上網行為管理和審計、基于應用的QoS優化、負載均衡智能策略管理以及Anti-DDoS等功能（圖3）。

平臺開發采用B/S架構，界面友好，方便用戶與系統的交互。平臺軟件包括數據處理、實時監控、統計報表、異常報警和用戶管理5個模塊。①數據處理模塊接收數據，并對數據進行解析、分析和存儲;②實時監控模塊在電子海圖上實時顯示終端位置、監測數據和電子圍欄等信息;③統計報表模塊可對終端的歷史軌跡進行回放，也可將監測數據按類別或時間進行總覽，并以圖表的形式直觀展示;④異常報警模塊對預警信息和電子圍欄等進行設置，一旦監測數據超出預警值或終端移出電子圍欄，即自動向用戶發送信息，經用戶處理后自動更新;⑤用戶管理模塊用于管理個人用戶和設備。

3 結語

在青島市近海海域實地部署基于北斗衛星導航系統的海洋環境監測系統，并嚴格按照規范對海洋環境監測終端和海洋信息綜合服務平臺進行多次聯調測試。測試結果表明系統運行良好，實現對海洋環境數據的采集、傳輸、分析、存儲、管理、查詢和顯示等，功能和性能均達到設計要求。

基于北斗衛星導航系統的海洋環境監測系統具有安全、穩定、方便和實用等特點，適用于對海洋環境和海水養殖等的遠程自動化監測，具有廣闊的市場需求。與此同時，將我國自主研發的北斗衛星導航系統應用到海洋環境監測領域，有利于我國提升海洋環境監測技術水平和保護海洋環境信息安全，且對于北斗衛星導航技術的推廣具有很好的示范意義。

參考文獻

[1] 王鐵流，馮正乾，周尚.基于SIM900的無線遠程海洋監測終端機的設計[J].電子測量技術，2012，35（12）：108-111.

[2] 王傳君.基于GPRS_IP通信技術的海洋環境實時監測系統[D].大連：大連海事大學，2008.

[3] 王世明.基于北斗衛星導航系統的海洋監測浮標通信系統設計與應用[J].全球定位系統，2016，41（4）：102-105.

[4] 彭偉，徐俊臣，杜玉杰，等.基于北斗系統的海洋環境監測數據傳輸系統設計[J].海洋技術，2009，28（3）：13-15.

[5] 解來濱.基于BD2和GPRS的海水多參數監測系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[6] 劉丹.小型多參數海洋環境監測浮標系統研究[D].上海：上海海洋大學，2012.