浮标电子与通信系统研制

摘　要:海洋浮标电子与通信系统可以实现对海洋环境监测数据的实时传送、监控,主要介绍了浮标控制系统与通信系统两部分,分别实现对采集到的海洋环境数据的接收和存储以及卫星通信。浮标控制部分采用接口资源丰富的AT91SAM9260作为核心芯片,以满足数据的采集、接收、存储以及通讯需求。通信方式选取铱星9601 SBD模块传送。实验表明,电子与通信系统功能完善,运行稳定,达到设计要求。

　　随着卫星通讯、卫星遥感、水声遥测以及数据同化等技术的不断发展与成熟,海洋环境监测已进入从空间、沿岸、水面及水下对海洋环境进行立体监测的时代。海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施。

　　它具有全天候、全天时稳定可靠地收集海洋环境资料的能力,并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。海洋浮标与卫星、飞机、调查船、潜水器及声波探测设备一起,组成了现代海洋环境主体监测系统,为探测海洋的奥秘,立下了不朽功勋。

　　海洋浮标,一般分为水上和水下两部分,水上部分装有多种气象要素传感器,分别测量风速、风向、气温、气压和温度等气象要素;水下部分有多种水文要素传感器以及海洋环境化学参数测量传感器,分别测量波浪、海流、潮位、海温、盐度、pH值、叶绿素、营养盐、浊度等。

　　各种传感器将采集到的信号,通过仪器自动处理,由发射机定时发出。地面接收站将收到的信号经过处理后,就得到了人们所需要的资料。通过对这些资料的掌握,会给人们的生产和生活带来极大的便利。如知道了海流流向,航海时便尽可能顺流而行;知道了风暴区域,航海时则可避开绕行;知道了潮位的异常升高,便可及时防备突发事件。

　　海洋资料浮标的实时数据传输系统是浮标的重要组成部分。从我国开始研制海洋资料浮标以来,实时数据传输系统先后采用过多种数据通讯方式,包括短波通讯、INMARSAT2C 卫星通讯以及GPRS/CDMA 通讯等。各种通讯方式各有优点和局限性,短波通讯抗干扰能力差,误码率高,数据接收率低; INMARSAT2C卫星通讯可靠性高,数据接收率达95 %以上,但通讯费用较高,不适合大数据量传输; GPRS/CDMA 通讯费用较低,但通讯信号受到浮标到岸边距离的限制。我们根据浮标系统数据传输的技术要求,采用铱星数据通讯传输大数据量的实时资料。

　　本文第1节介绍系统组成。第2节给出电子系统整体设计。第3节给出通信系统设计。第4节给出控制系统软件设计。第5节得出结论。

　　1　系统组成

　　本文设计的浮标电子与通信系统是海洋定点垂直剖面监控系统的子系统。整个监控系统还包括水下数据采集子系统。浮标电子与通信系统的核心部分是基于ARM的嵌入式处理器和L inux操作系统的水下数据处理和控制系统。浮标系统根据已定的协议,接收到电磁耦合模块传过来的数据,并保存在大容量存储器中。考虑到如果用有线通信方式,则由于通信距离不断变化会导致传输线路设计困难、通信的可靠性都难以保障。而电磁耦合通信正是利用电磁感应原理来传输数据的,它的设计电路简单可靠,体积小,成本低,可以实现在水下的近距离无线传输。图1是整个监测控制系统工作流程图,电磁耦合模块包括接收和发送两部分。

　　波浪能通过锚缆传递转化为垂直剖面测量系统水下主体部分(小浮力浮球)下行的动能。系统将充分利用大、小浮球的浮力惯性实现抽缆(相当于水下主体部分的下行)功能,当需上行时,只需打*阀。在依靠小浮球浮力上行过程中采集各环境参数变量。

　　整个一次数据采集、存储,送到水上通讯平台,最后海洋环境数据送到监测平台周期为24 h,也就是每隔24 h采集各剖面环境量。垂直剖面观测深度为300 m。整个系统维护周期约为三个月一次。

　　在整个测量系统中,控制系统是核心单元。水下监测数据采集平台的控制块在仪器仓内。它负责指挥和协调系统各部分工作状态。包括控制海洋各剖面数据的采集、存储、数据处理、传输等。本文描述的水上通讯平台的控制部分主要接收电磁耦合模块传过来的各个采集量,以及获取浮标电压值和浮标姿态等信息,然后通过铱星卫星发送给监控中心。

　　2　电子系统整体设计

　　浮标电子与通信系统采用太阳能电池和蓄电池组合供电。平台的主体是浮标部分。为提高可靠性,有的浮标采用两个独立的供电系统,每个系统都有蓄电池和太阳能电池板,都能为整个浮标供电。这种备份尽管不是必需的,但它提高了浮标的可靠性等级。

　　浮标控制系统的CPU采用AT91SAM9260,一路串口按序接收电磁耦合发送模块传过来的各个传感器的采集数据,并保存在SD大容量存储卡中(如图2)。

　　存于卡中的各路传感器采集的数据通过铱星卫星发送,ARM9的COM2口接铱星SBD 9601模块,用来与监控中心进行通信。

　　同时,浮标上装有锚灯,内有传感器检测光线,自动点亮,给监测带来方便。同时CPU通过I/O获取锚灯状态信息。

　　AT91SAM9260通过自带的A /D读取电池的电压值和倾角传感器获得的浮标姿态信息。

　　浮标上装有GPS天线,用于定位。

　　3　通信系统设计

　　通信系统是为了满足监测数据能及时有效地传送给监控中心进行观测。根据浮标系统数据传输的技术要求,本系统采用铱星数据通讯传输大数据量的实时资料。

　　浮标通信系统的结构图如图3所示。

　　具体的卫星通信模块是由是由铱星公司推出9601SBD[ 3 - 4 ] ,体积小, 长度、宽度和厚度分别为106 mm, 56. 2 mm和13 mm,重量117 g。9601不需要SIM卡,每次最多可以发送340字节信息,可以接收270 字节信息,当有信息收到时能够发出振铃。

　　工作温度- 35°～70°,工作电压5 V。该模块通过RS232接口实现SBD (突发短数据)业务,默认的波特率是19 200 bit/ s,可以通过AT + IPR指令设置。

　　可以选择的波特率bit/ s范围包括: 1 200、2 400、4 800、9 600、19 200、38 400等。可选数据长度7位或8位,默认为8位。其他包括一个停止位和无奇偶校验位。铱星SBD的待机平均电流为66 mA,信息发送中的平均电流< = 350 mA,能够满足海洋浮标设备低功耗的要求。

　　该模块通过点对点的方式实现数据收发,即浮标平台和监控平台各有一个9601SBD MODEN。通过发送“AT”指令来实现通信。海洋环境监测数据通过安装在浮标顶端的铱星天线发射出去。