浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)研制

摘　要:海洋浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送、監(jiān)控,主要介紹了浮標(biāo)控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)兩部分,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)以及衛(wèi)星通信。浮標(biāo)控制部分采用接口資源豐富的AT91SAM9260作為核心芯片,以滿足數(shù)據(jù)的采集、接收、存儲(chǔ)以及通訊需求。通信方式選取銥星9601 SBD模塊傳送。實(shí)驗(yàn)表明,電子與通信系統(tǒng)功能完善,運(yùn)行穩(wěn)定,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　隨著衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星遙感、水聲遙測(cè)以及數(shù)據(jù)同化等技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟,海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)已進(jìn)入從空間、沿岸、水面及水下對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)的時(shí)代。海洋浮標(biāo)是一種現(xiàn)代化的海洋觀測(cè)設(shè)施。

　　它具有全天候、全天時(shí)穩(wěn)定可靠地收集海洋環(huán)境資料的能力,并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)標(biāo)示和自動(dòng)發(fā)送。海洋浮標(biāo)與衛(wèi)星、飛機(jī)、調(diào)查船、潛水器及聲波探測(cè)設(shè)備一起,組成了現(xiàn)代海洋環(huán)境主體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為探測(cè)海洋的奧秘,立下了不朽功勛。

　　海洋浮標(biāo),一般分為水上和水下兩部分,水上部分裝有多種氣象要素傳感器,分別測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓和溫度等氣象要素;水下部分有多種水文要素傳感器以及海洋環(huán)境化學(xué)參數(shù)測(cè)量傳感器,分別測(cè)量波浪、海流、潮位、海溫、鹽度、pH值、葉綠素、營養(yǎng)鹽、濁度等。

　　各種傳感器將采集到的信號(hào),通過儀器自動(dòng)處理,由發(fā)射機(jī)定時(shí)發(fā)出。地面接收站將收到的信號(hào)經(jīng)過處理后,就得到了人們所需要的資料。通過對(duì)這些資料的掌握,會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的便利。如知道了海流流向,航海時(shí)便盡可能順流而行;知道了風(fēng)暴區(qū)域,航海時(shí)則可避開繞行;知道了潮位的異常升高,便可及時(shí)防備突發(fā)事件。

　　海洋資料浮標(biāo)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是浮標(biāo)的重要組成部分。從我國開始研制海洋資料浮標(biāo)以來,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)先后采用過多種數(shù)據(jù)通訊方式,包括短波通訊、INMARSAT2C 衛(wèi)星通訊以及GPRS/CDMA 通訊等。各種通訊方式各有優(yōu)點(diǎn)和局限性,短波通訊抗干擾能力差,誤碼率高,數(shù)據(jù)接收率低; INMARSAT2C衛(wèi)星通訊可靠性高,數(shù)據(jù)接收率達(dá)95 %以上,但通訊費(fèi)用較高,不適合大數(shù)據(jù)量傳輸; GPRS/CDMA 通訊費(fèi)用較低,但通訊信號(hào)受到浮標(biāo)到岸邊距離的限制。我們根據(jù)浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)要求,采用銥星數(shù)據(jù)通訊傳輸大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)資料。

　　本文第1節(jié)介紹系統(tǒng)組成。第2節(jié)給出電子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。第3節(jié)給出通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第4節(jié)給出控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。第5節(jié)得出結(jié)論。

　　1　系統(tǒng)組成

　　本文設(shè)計(jì)的浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)是海洋定點(diǎn)垂直剖面監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)還包括水下數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)的核心部分是基于ARM的嵌入式處理器和L inux操作系統(tǒng)的水下數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)。浮標(biāo)系統(tǒng)根據(jù)已定的協(xié)議,接收到電磁耦合模塊傳過來的數(shù)據(jù),并保存在大容量存儲(chǔ)器中。考慮到如果用有線通信方式,則由于通信距離不斷變化會(huì)導(dǎo)致傳輸線路設(shè)計(jì)困難、通信的可靠性都難以保障。而電磁耦合通信正是利用電磁感應(yīng)原理來傳輸數(shù)據(jù)的,它的設(shè)計(jì)電路簡單可靠,體積小,成本低,可以實(shí)現(xiàn)在水下的近距離無線傳輸。圖1是整個(gè)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)工作流程圖,電磁耦合模塊包括接收和發(fā)送兩部分。

　　波浪能通過錨纜傳遞轉(zhuǎn)化為垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)水下主體部分(小浮力浮球)下行的動(dòng)能。系統(tǒng)將充分利用大、小浮球的浮力慣性實(shí)現(xiàn)抽纜(相當(dāng)于水下主體部分的下行)功能,當(dāng)需上行時(shí),只需打*閥。在依靠小浮球浮力上行過程中采集各環(huán)境參數(shù)變量。

　　整個(gè)一次數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ),送到水上通訊平臺(tái),最后海洋環(huán)境數(shù)據(jù)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)周期為24 h,也就是每隔24 h采集各剖面環(huán)境量。垂直剖面觀測(cè)深度為300 m。整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)周期約為三個(gè)月一次。

　　在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)是核心單元。水下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的控制塊在儀器倉內(nèi)。它負(fù)責(zé)指揮和協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分工作狀態(tài)。包括控制海洋各剖面數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)?。本文描述的水上通訊平臺(tái)的控制部分主要接收電磁耦合模塊傳過來的各個(gè)采集量,以及獲取浮標(biāo)電壓值和浮標(biāo)姿態(tài)等信息,然后通過銥星衛(wèi)星發(fā)送給監(jiān)控中心。

　　2　電子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)采用太陽能電池和蓄電池組合供電。平臺(tái)的主體是浮標(biāo)部分。為提高可靠性,有的浮標(biāo)采用兩個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng),每個(gè)系統(tǒng)都有蓄電池和太陽能電池板,都能為整個(gè)浮標(biāo)供電。這種備份盡管不是必需的,但它提高了浮標(biāo)的可靠性等級(jí)。

　　浮標(biāo)控制系統(tǒng)的CPU采用AT91SAM9260,一路串口按序接收電磁耦合發(fā)送模塊傳過來的各個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù),并保存在SD大容量存儲(chǔ)卡中(如圖2)。

　　存于卡中的各路傳感器采集的數(shù)據(jù)通過銥星衛(wèi)星發(fā)送,ARM9的COM2口接銥星SBD 9601模塊,用來與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。

　　同時(shí),浮標(biāo)上裝有錨燈,內(nèi)有傳感器檢測(cè)光線,自動(dòng)點(diǎn)亮,給監(jiān)測(cè)帶來方便。同時(shí)CPU通過I/O獲取錨燈狀態(tài)信息。

　　AT91SAM9260通過自帶的A /D讀取電池的電壓值和傾角傳感器獲得的浮標(biāo)姿態(tài)信息。

　　浮標(biāo)上裝有GPS天線,用于定位。

　　3　通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　通信系統(tǒng)是為了滿足監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能及時(shí)有效地傳送給監(jiān)控中心進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)浮標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)要求,本系統(tǒng)采用銥星數(shù)據(jù)通訊傳輸大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)資料。

　　浮標(biāo)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　具體的衛(wèi)星通信模塊是由是由銥星公司推出9601SBD[ 3 - 4 ] ,體積小, 長度、寬度和厚度分別為106 mm, 56. 2 mm和13 mm,重量117 g。9601不需要SIM卡,每次最多可以發(fā)送340字節(jié)信息,可以接收270 字節(jié)信息,當(dāng)有信息收到時(shí)能夠發(fā)出振鈴。

　　工作溫度- 35°～70°,工作電壓5 V。該模塊通過RS232接口實(shí)現(xiàn)SBD (突發(fā)短數(shù)據(jù))業(yè)務(wù),默認(rèn)的波特率是19 200 bit/ s,可以通過AT + IPR指令設(shè)置。

　　可以選擇的波特率bit/ s范圍包括: 1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400等。可選數(shù)據(jù)長度7位或8位,默認(rèn)為8位。其他包括一個(gè)停止位和無奇偶校驗(yàn)位。銥星SBD的待機(jī)平均電流為66 mA,信息發(fā)送中的平均電流< = 350 mA,能夠滿足海洋浮標(biāo)設(shè)備低功耗的要求。

　　該模塊通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),即浮標(biāo)平臺(tái)和監(jiān)控平臺(tái)各有一個(gè)9601SBD MODEN。通過發(fā)送“AT”指令來實(shí)現(xiàn)通信。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過安裝在浮標(biāo)頂端的銥星天線發(fā)射出去。