一種用于海洋綜合觀測浮標的多種通信方式集成系統

王春曉, 王 旭, 劉長華, 賈思洋

(中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

目前, 不斷出現的涉及海洋氣象、海面表層、水體剖面以及海底的新型觀測技術, 由于實時通信技術手段的應用, 基本可以對海洋進行實時、連續、長期、全方位地立體監測, 實現真正意義上的“透明”海洋。海洋綜合觀測浮標是一種用于實時獲取海洋氣象、水文、水質、生態、動力等參數的漂浮式自動化監測平臺, 是隨著科技發展和海洋科學研究、環境監測及預報的需要而迅速發展起來的新型海洋環境監測設備, 具有實時、連續、長期、全天候和自動化等優點, 也是當前國際、國內主流、重要、可靠、穩定的海洋觀測技術手段之一, 因此其技術水平的升級和研發受到世界各國的極大重視和大力發展[1-2]。

為保障觀測數據獲取的完整性, 國內外大部分海洋綜合觀測浮標均采用GSM(Global System for Mobile Communications, 全球移動通信系統)、高頻通信、衛星通信、GPRS(General Packet Radio Service, 通用分組無線業務)和CDMA(Code Division Multiple Access, 碼分多址)等多種無線通信方式來實現觀測數據的實時傳輸, 其中應用于我國近海的海洋綜合觀測浮標, 通常采用CDMA、CPRS和北斗3種通信方式[2-4]。譬如中國科學院近海海洋觀測研究網絡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均采用了至少兩種通信方式進行優勢互補, 距離岸邊較近的采用CDMA+GPRS的組合, 距離岸邊較遠的采用CDMA/GPRS+北斗的組合。在每一個觀測數據發送周期, 通信系統中的全部通信模塊均上電工作, 按相應的方式發送觀測數據, 陸基數據接收系統實時接收來自多個海洋綜合觀測浮標以各種方式發送的全部觀測數據, 并對這些數據進行處理、顯示和存儲。這種通信方案的優點是盡可能地保證觀測數據的全面完整性, 但由于各通信模塊屬于獨立運行, 缺乏統一管理, 因此存在重要數據缺失、相同數據重復發送、系統功耗較大等問題。針對上述問題, 本文設計了一種用于海洋綜合觀測浮標的多種通信方式集成系統, 將各通信模塊進行集成管理, 在每個數據發送周期, 只選擇當前信號質量最優的通信方式將浮標的觀測數據實時發送到陸基接收站。

1 海洋綜合觀測浮標原通信系統存在的不足

1.1 重要數據缺失

海洋綜合觀測浮標的觀測參數通常包括氣象(氣溫、濕度、氣壓、風速風向、能見度、雨量)、水文(波浪、剖面海流、水溫、鹽度)和水質(濁度、葉綠素、溶解氧)等等, 每個周期的數據量比較大, 而北斗一次傳輸的數據量卻比較小, 因此在使用北斗方式進行數據傳輸時只能將一組觀測數據分成若干子包進行分時傳輸, 而當其中任何一個子包發生錯誤或丟失就會導致這組觀測數據無法使用[5]。此外, 陸基數據接收系統要同時接收多個浮標的觀測數據, 但不同浮標的數據發送頻率各不相同(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)大量浮標同時發送數據就會造成數據接收擁塞, 甚至造成數據丟包的情況。綜合考慮上述問題, 為了保證北斗通信的暢通和有效, 使用北斗發送的觀測數據分為3個子包[6], 并且不包含風、氣溫、濕度、氣壓等氣象參數的分時數據, 這些分時數據只能通過CDMA或GPRS傳輸。因此, 當CDMA或GPRS信號偏弱時, 無法實時了解氣象的分時變化, 而在極端天氣和應急情況下的氣象分時數據卻尤為重要。

1.2 相同數據重復發送

當使用的各通信方式信號均比較強時, 浮標的同一組觀測數據就會重復發送, 同時接收多個浮標每種通信方式發送的觀測數據會導致服務器運行緩慢, 數據接收滯后, 甚至造成系統死機, 多條相同的觀測數據同時也增加了數據處理、存儲和管理的工作量。

1.3 通信系統功耗較大

海洋綜合觀測浮標主要采用太陽能板-蓄電池聯合供電方式, 因而電力較為有限。當前的通信系統在每個觀測數據發送周期, 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設計

2.1 系統總體設計

浮標原通信系統的數據傳輸方案如圖1所示, 浮標數據采集器定時采集海洋觀測傳感器的觀測數據, 然后分別傳輸給DTU(Data Transfer Unit, 無線通信網絡進行傳送的無線終端設備)和北斗模塊, 并通過各自的天線發送到陸基數據接收系統進行存儲、處理和顯示。多種通信方式集成系統的數據傳輸方案如圖2所標, 浮標數據采集器定時采集海洋觀測傳感器的觀測數據, 然后傳輸給多種通信方式集成系統, 該系統通過判斷通信信號強度選擇當前最優的通信方式將浮標觀測數據發送到陸基數據接收系統, 同時還對信號強度數據和浮標觀測數據進行存儲, 為后期進行通信信號分析提供數據, 并對浮標觀測原始數據進行備份。

圖1 浮標原通信系統的數據傳輸方案 Fig. 1 Data transmission scheme of the original buoy communication system

圖2 多種通信方式集成系統的數據傳輸方案 Fig. 2 Data transmission scheme of the multi-communication system

多種通信方式集成系統主要具備以下功能:

(1) 實時接收浮標數據采集器的觀測數據。

(2) 實時接收陸基數據接收系統服務器反饋的通信鏈接是否成功建立以及數據是否成功接收等重要回執信息, 并將這些信息發送給浮標數據采集器。

(3) 實時檢測通信模塊的信號強度。

(4) 根據信號強度情況, 選擇最優通信方式給相應的通信模塊上電并發送浮標觀測數據。

(5) 將信號強度數據以及浮標觀測數據進行存儲。

(6) 可通過相關外設進行相關參數的設置和數據下載。

(7) 預留艙內環境監測通道, 后期可增加艙內環境參數的測量。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 系統框架結構

系統選用超低功耗的單片機作為MCU (Microcontroller Unit, 微控制單元)構建控制模塊, 利用MCU的5個串口搭配外圍電路, 實現系統與浮標數據采集器以及各通信模塊的數據傳輸, 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供電, 根據各單元供電需求可提供的電壓有12、9、5和3.3 V; AD模擬量接口為系統預留通道, 后期可根據需要采集相關傳感器的測量數據從而監測浮標艙內環境參數。MCU選擇MICROCHIP公司新推出的型號為PIC32MXF575F512L的單片機進行系統開發, 該芯片是性能優良的超低功耗32位單片機, 具有豐富的外設功能部件和增強的計算性能[7]。存儲系統主要使用SD卡來存儲CDMA和GPRS通信信號強度數據以及從浮標數據采集器獲得的DTU數據和北斗數據, 并設計了相應的文件系統。

圖3 系統硬件框架圖 Fig. 3 Hardware frame diagram of the system

2.2.2 工作模式切換控制

系統使用的3種通信模塊在進行參數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, 給系統的設置以及后期維護調試帶來諸多不便。針對該問題, 項目組經過討論和測試最終選擇物理開關實現工作模式切換以及參數配置通道選擇的技術方案, 方便系統設置和調試。物理開關選用2位撥碼開關(圖4), 可以切換4種模式, 當撥碼開關的狀態為00時, 系統工作模式為數據傳輸模式, 即在浮標上的正常工作模式, 進行通信方式的選擇以及觀測數據的傳輸; 當撥碼開關的狀態為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配置或檢測。

圖4 撥碼開關 Fig. 4 Dial code switch

2.2.3 系統軟件設計

系統軟件流程圖如圖5所示, 系統上電后首先監測撥碼開關狀態來判斷系統當前的工作模式, 如果是配置模式, 則根據撥碼開關的狀態打開對應模塊的配置通道, 此時可以使用外部計算機進行模塊的參數配置; 如果是通信模式, 首先對存儲系統進行初始化, 然后實時偵聽浮標數據采集器的DTU通道和北斗通道是否有數據, 只要有數據就進行存儲, 并開始檢測通信模塊信號強度并進行存儲, 根據當前信號強度來選擇最優的通信方式給相應的通信模塊上電并進行數據發送, 當確認本周期數據傳輸完成后將通信模塊斷電, 等待下個數據采集周期繼續重復上述過程, 保證陸基數據接收系統實時接收浮標以最優通信方式發送的觀測數據。其中最優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據通過北斗方式進行發送; 如果QC≥QG≥Q0, 則給CDMA模塊上電, 并將DTU通道傳來的數據通過CDMA方式進行發送; 如果Q0≤QG＜QC, 則給GPRS模塊上電, 并將DTU通道傳來的數據通過GPRS方式進行發送。

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

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

表1 2018年07號浮標數據接收情況 Tab. 1 Data reception of buoy No. 07 in 2018

3 系統海上測試

研制完成的多種通信方式集成系統于2017年12月4日在中國科學院近海海洋觀測研究網絡黃海站的07號浮標完成集成安裝和系統調試, 并順利通過近岸拷機試驗。最終, 該系統于2017年12月14日隨浮標完成海上布放, 每半個小時發送一組觀測數據。到目前為止, 浮標已經在海上穩定運行超過12個月, 陸基數據接收系統的數據接收連續完整。表1統計了07號浮標安裝多種通信方式集成系統后2018年度每個月接收數據的情況, 可以計算全年99.35%的觀測數據通過CDMA方式發送, 0.05%的觀測數據通過GPRS方式發送, 0.6%的觀測數據通過北斗方式發送。海上連續長期的試驗表明該系統嚴格按照設定的程序對浮標各通信方式進行管理, 并且運行穩定可靠, 功能達到設計要求。盡管多種通信方式集成系統的應用增加了浮標通信系統額外的功耗, 但其本身的功耗相對于各個通信模塊的功耗非常低, 從而降低了浮標通信系統的整體功耗。經過測試, 多種通信方式集成系統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%。結合07號浮標2018年度的數據接收情況可計算出其通信系統的年功耗相比安裝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 結論

海洋綜合觀測浮標系統是海洋科學研究獲取海 洋數據的重要設施, 其數據通信系統是保障數據實時獲取的關鍵部分, 本文設計的多種通信方式集成系統重點解決了現有海洋綜合觀測浮標系統數據通信存在的問題, 既保證浮標觀測數據的接收實時完整性, 又避免相同數據重復發送, 減輕陸基接收服務器數據管理、分析的工作量, 同時還降低了浮標通信系統的整體功耗。通過海上試驗已經驗證該系統可推廣應用于我國近海各類海洋綜合觀測浮標系統中, 具有較好的實用價值。此外, 該系統還預留了浮標艙內環境監測通道, 后期配合相應的數據接收軟件, 可擴展對浮標儀器艙內溫度、濕度以及壓力等參數進行實時監測的功能, 確認艙內設備和工作環境是否安全; 并且還可擴展北斗定位功能, 當浮標安裝的GPS因天線故障或信號偏弱等原因定位失敗時, 可遠程開啟北斗定位, 及時跟蹤浮標的位置信息, 提升浮標運行的安全性。