船載自動氣象站DTU通信機制及降耗方法探討

王佳明，宋吉霞，辛文鵬

(威海市氣象局，威海264200)

0 引言

船載自動氣象站(以下簡稱船載站)是指安裝在船舶上的自動氣象站。船載站隨船舶移動自動采集航線上實時氣象數據，能使用DTU通過無線網絡和有線鏈路向陸地上數據處理中心(以下簡稱數據中心)傳送觀測數據，也可接收并轉發數據中心發來的控制指令[1，2]。

目前船載站一般同時采用2G/3G/4G DTU與北斗衛星終端2類設備進行數據傳輸[3，4]。船載站北斗通信終端利用北斗衛星短報文方式，按照設置的固定頻次進行數據傳輸，其功耗基本不受天氣狀況、信號強弱及盲區影響，比較穩定。船載站的DTU在2G/3G/4G基站信號覆蓋區內可保持永久在線，功耗比較穩定。但船舶航行在距離海岸或有2G/3G/4G信號基站的海島30 n mile(受天氣狀況影響約有±5 n mile變化)外出現2G/3G/4G信號盲區，或處在2G/3G/4G相鄰基站信號邊緣的交叉海域時，DTU會因掉線而持續撥號查找2G/3G/4G信號基站進行無線網絡連接，撥號進程功耗較大。如果DTU長期處在信號盲區，不斷重復撥號會消耗大量電能。當船載站遇上連續大霧或陰雨天時，太陽能供電系統無法為蓄電池提供有效電量補充，其采集器會因蓄電池饋電被切斷電力供應而停止工作。因此針對DTU不同工況的功耗情況，研究降耗方法，對保障船載站正常工作具有重要意義。

1 船載站DTU簡介

DTU中文名為數據傳輸單元，是無線DDN數據通信產品。DTU使用TCP或UDP協議，利用運營商無線網絡為終端設備和數據處理中心搭建起無線通信鏈路后，將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據進行傳送；具有撥號上網、雙向透傳、永久在線、參數配置及存儲功能。

船載站DTU與采集器直連，可將采集器RS-232或RS-485串口輸出的實時觀測數據轉換為IP數據，再通過無線網絡和有線網絡傳輸；也可將接收到的、由數據中心發來的控制指令，經IP數據→串口數據轉換后傳輸給采集器，完成數據或指令雙向透傳動作[5，6]。

2 船載站DTU通信

2.1 DTU通信組件

DTU通信組件由DTU、信號線(與采集器連接)、天線和SIM卡組成。

2.2 DTU通信路徑

船載站采集器將觀測數據由RS-232或RS-485口發送給DTU，DTU通過無線網絡傳送給通信基站，經通信運營商網絡和網關進入互聯網，數據進行網間交換后，進入數據中心。

2.3 DTU通信狀態顯示

DTU面板上有PWR(狀態燈)、NET(網絡燈)和DATA(數據燈)3個LED指示燈。指示燈的亮、滅組合，可顯示DTU當前工作狀態，指示燈狀態釋義如表1所示。

表1 DTU指示燈狀態釋義

2.4 DTU功耗

DTU的DC12 V工作電源由船載站供電系統提供(以宏電H7118 4G DTU為例)，功耗情況如表2所示。

表2 DTU功耗

DTU待機狀態(指與數據中心保持在線，除定時發送心跳注冊包外，不發送觀測數據)平均功耗僅為0.24 W，對于船載站供電系統的電力消耗可忽略不計。向數據中心正常發送數據時(即以1024 B/S發送觀測數據)平均功耗約為1.32 W。當2G/3G/4G信號不良時，DTU發送數據會加大信號發射功率，平均工作電流300～480 mA，平均功耗為3.6～5.76 W。

2.5 影響DTU功耗的配置參數

2.5.1 重撥號時間間隔

DTU掉線或通電重啟后需重新撥號注冊運營商2G/3G/4G網絡。若撥號注冊失敗，則需等待設定的重撥號間隔時間后重新撥號注冊。出廠默認間隔時間為60 s。

2.5.2 在線報告時間間隔

在線報告時間間隔又叫心跳注冊包發送時間間隔。該參數作用是保持網絡鏈路永久在線。因運營商網關提供的NAT(網絡地址翻譯)端口映射服務具有很短的時效，故若要維持雙向通信須設置DTU定時發送心跳注冊包，從而使NAT端口映射繼續保持。DTU周期性發送固定格式的心跳注冊包到數據中心，數據中心收到心跳注冊包后，會對DTU確認信息，從而使DTU與數據中心的鏈路保持永久連接。在線報告時間間隔取值范圍為0～65，535 s或5～65，535 s，出廠默認值為30 s。

2.5.3 最大登錄DSC次數

最大登錄DSC次數指與數據中心進行IP通道注冊(創建)失敗后重新嘗試登錄的次數。其取值范圍為1～5次，出廠默認為5次。

2.5.4 重新連接時間間隔

重新連接時間間隔指與數據中心IP通道連接失敗后重新連接或下線后重新連接的時間間隔。如果通道異常或空閑下線，DTU會關閉與運營商2G/3G/4G網絡連接。當通道異常或下線達到設定的間隔時間后，會重新進行2G/3G/4G網絡撥號和IP通道注冊(創建)。該時間間隔的取值范圍為0～65，535 s，出廠默認值為30 s。

2.6 DTU工作機制

DTU通電后工作流程為：DTU通電后自檢→配置參數讀取→SIM卡檢查→注冊運營商2G/3G/4G網絡→注冊IP網絡通道→網絡連接保持→DTU數據傳輸。

在2G/3G/4G網絡信號覆蓋區，DTU會監測通信鏈路在線情況。網絡連接失敗或下線后，會按照上述工作流程重新進行撥號連接。DTU出廠默認重撥號時間間隔為60 s，即每隔60 s重新撥號1次，直到撥號成功，完成2G/3G/4G網絡注冊。由通信運營商網關進入互聯網后進行IP通道注冊，即與數據中心(IP地址+端口號)通道建立鏈接。DTU進行每輪IP通道注冊重連接的時間間隔默認為30 s，登錄成功并獲得回執后，IP通道鏈接建立。否則等待30 s后進入下一輪IP通道注冊鏈接，鏈接登錄到數據中心最多連續嘗試5次。網絡通道建立后，DTU按出廠默認30 s時間間隔向數據中心發送固定格式的心跳注冊包向，保持DTU與數據中心網絡鏈路永久在線。

3 船載站DTU降耗

DTU進行2G/3G/4G網絡撥號、注冊時峰值功耗為5.76 W左右，比正常數據傳輸功耗(1.32 W)大得多。船載站處在2G/3G/4G通信基站信號較弱、兩基站信號邊緣疊加海域或信號盲區時，DTU會出現頻繁掉線、重復撥號的情況。特別是船舶在遠離陸地2G/3G/4G信號區航行時，船載站DTU處于掉線狀態，其每隔60 s會重復執行1次2G/3G/4G通信撥號、注冊動作，每次撥號均消耗峰值功率。如果船載站隨船舶在2G/3G/4G網絡信號盲區駐留或航行時間較長時，其功耗開銷會導致船載站總功耗增大。遇到持續陰雨天時，太陽能充電效率不良或無電力輸出，船載站可能會因電力供應不足停止工作。

DTU在待機狀態下功耗極低，僅0.24 W。故對重撥號時間間隔、在線報告時間間隔和重新連接時間間隔3個參數值進行重新設置，增大撥號、報告及重新連接等待時間，以延長DTU低功耗待機時間，減少單位時間內網絡撥號注冊次數，降低功率消耗，達到節能降耗目的。

4 結束語

使用太陽能作為唯一供電方式的船載站，通過改變其DTU部分配置參數的方法降低功耗，在DTU對 2G/3G/4G通信網絡(基站+運營商網絡)注冊撥號這一功率消耗較大進程中降耗效果明顯。而在DTU與數據中心建立IP通道注冊和鏈接保持進程中，雖然理論上起到降耗作用，但成效微弱。

因DTU在海上隨船舶航行的通信環境存在不確定性，因此配置參數數值的大小僅能憑經驗進行設置，時間間隔設置過短則降耗效果不明顯，而設置過長則船載站從海上信號不良區(或盲區)進入正常信號區時，DTU仍處在撥號注冊間隔時間等待中，導致觀測數據不能及時傳輸。

如果船載站采集器能記錄、存儲歷史航行海域的通信信號不良區，并植入電子海圖、GIS和研發相關算法，使采集器根據船載站距岸實時位置和存儲的信號不良海域自主選擇是否對DTU通電進行數據傳輸，即可科學地實現船載站DTU降耗和功耗可控目的。