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(yíng)養(yǎng)鹽、濁度等。

　　各種傳感器將采集到的信號(hào),通過(guò)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(guò)處理后,就得到了人們所需要的資料。通過(guò)對(duì)這些資料的掌握,會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)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(kāi)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(guó)開(kāi)始研制海洋資料浮標(biāo)以來(lái),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)先后采用過(guò)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(guò)來(lái)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(lái)傳輸數(shù)據(jù)的,它的設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單可靠,體積小,成本低,可以實(shí)現(xiàn)在水下的近距離無(wú)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。

圖1　監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)工作流程圖

　　波浪能通過(guò)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(guò)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(cāng)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(guò)來(lái)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(guò)來(lái)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(guò)銥星衛(wèi)星發(fā)送,ARM9的COM2口接銥星SBD 9601模塊,用來(lái)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信

。

圖2　浮體平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

　　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(lái)方便。同時(shí)CPU通過(guò)I/O獲取錨燈狀態(tài)信息。

　　AT91SAM9260通過(guò)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。

圖3　浮標(biāo)通信系統(tǒng)組成。

　　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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)度7位或8位,默認(rèn)為8位。其他包括一個(gè)停止位和無(wú)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(guò)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(guò)發(fā)送“AT”指令來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)安裝在浮標(biāo)頂端的銥星天線發(fā)射出去
。

　　4　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)采用了AT91SAM9260作為CPU,它支持主流的Linux、Windows XP等操作系統(tǒng)。目標(biāo)板上移植了Linux操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行任務(wù)管理和調(diào)度,改變了傳統(tǒng)的在類似硬件平臺(tái)下采用MSDOS單用戶、單任務(wù)操作系統(tǒng)難以完成較為復(fù)雜的分布式多任務(wù)應(yīng)用的缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,Linux系統(tǒng)可以同時(shí)處理多個(gè)傳感器發(fā)送來(lái)的較為復(fù)雜的控制任務(wù),從而提高系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度及并發(fā)處理能力。

　　構(gòu)成嵌入式Linux系統(tǒng)至少需要下面3個(gè)基本元素:引導(dǎo)程序,Linux微內(nèi)核和初始化進(jìn)程。如果要讓它有更多的功能,還可加上文件系統(tǒng)、GU I和設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)的應(yīng)用程序,并將其放在diskonchip中啟動(dòng)。

　　在L inux操作系統(tǒng)下,有三類主要的設(shè)備文件類型:字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫(xiě)請(qǐng)求時(shí),實(shí)際的硬件I/O一般緊接著發(fā)生;塊設(shè)備則不然,它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存做緩沖區(qū),當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求時(shí),就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù);如果不能,就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤(pán)等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的,以免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待。用戶進(jìn)程通過(guò)設(shè)備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設(shè)備文件都有其文件屬性( c /b) ,表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備。每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào),第一個(gè)是主設(shè)備號(hào),標(biāo)志驅(qū)動(dòng)程序;第二個(gè)是從設(shè)備號(hào),標(biāo)志使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致,否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到驅(qū)動(dòng)程序。

　　L inux 操作系統(tǒng)將所有設(shè)備作為文件來(lái)處理,他們可以使用文件、I/O相關(guān)函數(shù)來(lái)處理,這樣就方便了對(duì)設(shè)備的處理。例如:串口文件位于/dev目錄下, 串口1 為/dev/ ttyS0, 串口2 為/dev/ttyS1。打開(kāi)串口用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開(kāi)函數(shù)操作。如:int fd = open ( Dev, O_RDWR ) ; Dev是設(shè)備文件,返回- 1則表示打開(kāi)失敗,成功則返回大于0的值。

　　其中幾個(gè)主要函數(shù)如下:

　　對(duì)串口的操作需要用到的頭文件有:

　　浮標(biāo)電子系統(tǒng)接收電磁耦合通信模塊(RS232)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),并將傳感器采集到的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)保存到大容量的SD卡中。具體的流程圖如圖4。

圖4　浮標(biāo)電子系統(tǒng)程序流程圖

　　接收完水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)并保存后,打開(kāi)與銥星9601SBD MODEN連接的串口。并打開(kāi)保存于卡中的文件。發(fā)送AT指令,在得到應(yīng)答信號(hào)后發(fā)送數(shù)據(jù),每次最多只能發(fā)送340 字節(jié)。

　　浮標(biāo)通信系統(tǒng)流程圖如圖5。

圖5　浮標(biāo)通信系統(tǒng)流程圖。

　　5　結(jié)論

　　系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室PC機(jī)調(diào)試助手模擬數(shù)據(jù)發(fā)送,通過(guò)電磁耦合接收、發(fā)送模塊成功將數(shù)據(jù)送到水上浮標(biāo)系統(tǒng)的ARM中并保存到大容量的SD卡中,實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)系統(tǒng)與水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送。隨后讀取文件中保存的數(shù)據(jù),打開(kāi)9601SBD MODEN,發(fā)送給另一臺(tái)PC。PC機(jī)端的9601SBD MODEN接收數(shù)據(jù),并在上位機(jī)上動(dòng)態(tài)的顯示收到的數(shù)據(jù)。

　　在水下進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中,控制電路工作正常,水上浮體平臺(tái)數(shù)據(jù)能正常接收、存儲(chǔ),傾角傳感器、電池電壓值能通過(guò)A /D采集。且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)銥星衛(wèi)星成功發(fā)送給監(jiān)控中心。