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)可以實現(xiàn)對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳送、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,分別實現(xiàn)對采集到的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的接收和存儲以及衛(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、存儲以及通訊需求。通信方式選取銥星9601 SBD模塊傳送。實驗表明,電子與通信系統(tǒng)功能完善,運行穩(wěn)定,達到設(shè)計要求。

　　隨著衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星遙感、水聲遙測以及數(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)測已進入從空間、沿岸、水面及水下對海洋環(huán)境進行立體監(jiān)測的時代。海洋浮標(biāo)是一種現(xiàn)代化的海洋觀測設(shè)施。

　　它具有全天候、全天時穩(wěn)定可靠地收集海洋環(huán)境資料的能力,并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、自動標(biāo)示和自動發(fā)送。海洋浮標(biāo)與衛(wèi)星、飛機、調(diào)查船、潛水器及聲波探測設(shè)備一起,組成了現(xiàn)代海洋環(huán)境主體監(jiān)測系統(tǒng),為探測海洋的奧秘,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)測量傳感器,分別測量波浪、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,通過儀器自動處理,由發(fā)射機定時發(fā)出。地面接收站將收到的信號經(jīng)過處理后,就得到了人們所需要的資料。通過對這些資料的掌握,會給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的便利。如知道了海流流向,航海時便盡可能順流而行;知道了風(fēng)暴區(qū)域,航海時則可避開繞行;知道了潮位的異常升高,便可及時防備突發(fā)事件。

　　海洋資料浮標(biāo)的實時數(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,實時數(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95 %以上,但通訊費用較高,不適合大數(shù)據(jù)量傳輸; GPRS/CDMA 通訊費用較低,但通訊信號受到浮標(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)量的實時資料。

　　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。第3節(jié)給出通信系統(tǒng)設(shè)計。第4節(jié)給出控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。第5節(jié)得出結(jié)論。

　　1　系統(tǒng)組成

　　本文設(shè)計的浮標(biāo)電子與通信系統(tǒng)是海洋定點垂直剖面監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)。整個監(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器中?？紤]到如果用有線通信方式,則由于通信距離不斷變化會導(dǎo)致傳輸線路設(shè)計困難、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)計電路簡單可靠,體積小,成本低,可以實現(xiàn)在水下的近距離無線傳輸。圖1是整個監(jiān)測控制系統(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)化為垂直剖面測量系統(tǒng)水下主體部分(小浮力浮球)下行的動能。系統(tǒng)將充分利用大、小浮球的浮力慣性實現(xiàn)抽纜(相當(dāng)于水下主體部分的下行)功能,當(dāng)需上行時,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。

　　整個一次數(shù)據(jù)采集、存儲,送到水上通訊平臺,最后海洋環(huán)境數(shù)據(jù)送到監(jiān)測平臺周期為24 h,也就是每隔24 h采集各剖面環(huán)境量。垂直剖面觀測深度為300 m。整個系統(tǒng)維護周期約為三個月一次。

　　在整個測量系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)是核心單元。水下監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺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、數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)?。本文描述的水上通訊平臺的控制部分主要接收電磁耦合模塊傳過來的各個采集量,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

　　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。平臺的主體是浮標(biāo)部分。為提高可靠性,有的浮標(biāo)采用兩個獨立的供電系統(tǒng),每個系統(tǒng)都有蓄電池和太陽能電池板,都能為整個浮標(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。

　　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傳感器的采集數(shù)據(jù),并保存在SD大容量存儲卡中(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)控中心進行通信。

　　同時,浮標(biāo)上裝有錨燈,內(nèi)有傳感器檢測光線,自動點亮,給監(jiān)測帶來方便。同時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

　　通信系統(tǒng)是為了滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)能及時有效地傳送給監(jiān)控中心進行觀測。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)量的實時資料。

　　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?？蛇x數(shù)據(jù)長度7位或8位,默認(rèn)為8位。其他包括一個停止位和無奇偶校驗位。銥星SBD的待機平均電流為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。

　　該模塊通過點對點的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),即浮標(biāo)平臺和監(jiān)控平臺各有一個9601SBD MODEN。通過發(fā)送“AT”指令來實現(xiàn)通信。海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過安裝在浮標(biāo)頂端的銥星天線發(fā)射出去。