0 引言

    核輻射事故的突發(fā)性和擴(kuò)散性嚴(yán)重威脅到了國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全^[1]。2011年3月11日，發(fā)生于日本東北地區(qū)宮城縣北部的9級(jí)地震引發(fā)海嘯，地震和海嘯造成了福島核電站的重大核泄漏事故，導(dǎo)致大量放射性物質(zhì)被釋放到了周邊環(huán)境中，致使日本損失巨大^[2]，事故也引起了我國(guó)政府和人民的高度關(guān)注。

    隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多的海洋監(jiān)測(cè)儀器使用衛(wèi)星通信技術(shù)來傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，目前正在運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有Argos系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和銥星系統(tǒng)等。

    為研究福島核事故對(duì)西太平洋海洋環(huán)境的影響，利用漂流浮標(biāo)開展了海洋環(huán)境γ劑量率的監(jiān)測(cè)和研究，但由于該搭載平臺(tái)原使用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)區(qū)域受到北斗衛(wèi)星通信范圍的限制，導(dǎo)致該系統(tǒng)在西太平洋海域不能覆蓋。另外，因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)采用電池供電，而北斗衛(wèi)星通信模塊發(fā)射電流較大(約3 A)，所以功耗較高。如改為Argos衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性又受到限制，需在衛(wèi)星過頂后才能接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且需應(yīng)用三代以后的產(chǎn)品，才能構(gòu)成雙向鏈路^[3]。

    由分布在6個(gè)極地圓軌道面的距地球表面約780 km的66顆低軌衛(wèi)星組成的銥星系統(tǒng)^[4]，星際鏈路技術(shù)是其最大的特點(diǎn)，它在理論上確保了銥星系統(tǒng)能由一個(gè)關(guān)口站完成衛(wèi)星通信接續(xù)的整個(gè)過程?？扇蚍秶鷥?nèi)進(jìn)行通信是其最大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于現(xiàn)有通信方式達(dá)不到的地方非常適用^[5]，而且通信費(fèi)用不高，單次傳輸數(shù)據(jù)量大，功耗較低，特別適用于本浮標(biāo)布放的西太平洋海域。

    因此，本文提出設(shè)計(jì)基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，以滿足海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)對(duì)范圍和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。

1 海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)總體結(jié)構(gòu)

    海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)投放后，即自動(dòng)展開進(jìn)入工作狀態(tài)開始在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量海洋輻射總劑量和其他海洋環(huán)境參數(shù)（溫度、鹽度、深度等），并監(jiān)控浮標(biāo)的工作狀態(tài)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過銥星通信發(fā)送至用戶應(yīng)用監(jiān)控中心。

    該浮標(biāo)的總體構(gòu)成如圖1所示。主要由監(jiān)控子系統(tǒng)、銥星通信子系統(tǒng)和用戶應(yīng)用監(jiān)控中心三部分構(gòu)成，其中監(jiān)控子系統(tǒng)的測(cè)量控制由傳感器、GPS模塊、信息采集、信息處理、供電電源和銥星突發(fā)短數(shù)據(jù)(Short Burst Data，SBD)終端模塊9602等部分組成。GPS模塊安裝在浮標(biāo)內(nèi)部，以獲得海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的實(shí)時(shí)位置。傳感器采用HD—2005型便攜式χ-γ劑量率儀和海水溫鹽深測(cè)量?jī)x等，安裝于浮標(biāo)內(nèi)部水下位置。信息采集單元實(shí)時(shí)采集的浮標(biāo)位置、海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和浮標(biāo)狀態(tài)等信息，通過UART傳輸至信息處理單元，對(duì)接收到的信息進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)。

    然后通過銥星SBD終端模塊9602以Email的形式發(fā)送至郵箱，用戶應(yīng)用監(jiān)控中心收取Email獲取在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和GPS定位信息等，監(jiān)控浮標(biāo)工作狀態(tài)，并通過Email反向發(fā)送控制命令，設(shè)置浮標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間，控制浮標(biāo)的工作時(shí)間間隔等。

2 監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 供電電源模塊

    由于海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)屬于機(jī)動(dòng)應(yīng)急性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，投放前處于非工作狀態(tài)，而且在工作時(shí)也處于間歇工作方式。為了防止電池在處于長(zhǎng)期不工作狀態(tài)時(shí)開機(jī)出現(xiàn)電壓滯后現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的正常工作，而且考慮電池的安全性，系統(tǒng)的供電電池采用具有大電流輸出能力強(qiáng)、容量大、體積小、安全性高等特點(diǎn)的鋰錳電池，通過計(jì)算可以驗(yàn)證，電池組能滿足浮標(biāo)工作要求，確保浮標(biāo)工作正常。

2.1.2 主控制器

    浮標(biāo)的主控制器采用Silicon Laboratories公司推出的C8051F020。芯片采用Silabs公司的CIP-51內(nèi)核，兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)，是能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。片內(nèi)具有22個(gè)中斷源、7個(gè)復(fù)位源、1個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)鐘發(fā)生器、5個(gè)通用的16位定時(shí)器和2個(gè)全雙工UART串行接口等豐富資源，能很好地實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的獲取、分析及處理并完成銥星通信任務(wù)。主控制器與銥星SBD終端模塊9602通過UART0連接。

2.1.3 GPS模塊

    浮標(biāo)的GPS模塊采用達(dá)伽馬GPS模塊SR-87，該模塊使用高靈敏度且低功耗的SIRF III芯片組，冷啟動(dòng)時(shí)間短，可同時(shí)追蹤多達(dá)20顆衛(wèi)星，定位精度要優(yōu)于利用銥星SBD 終端模塊9602測(cè)得的結(jié)果，且導(dǎo)航更新速率快，非常適用于浮標(biāo)的定位服務(wù)和銥星通信任務(wù)。GPS模塊與主控制器通過串口連接。

2.1.4 海洋輻射劑量傳感器模塊

    浮標(biāo)的海洋輻射劑量傳感器模塊采用HD—2005型便攜式χ-γ劑量率儀，由探測(cè)器和控制系統(tǒng)兩部分組成。探測(cè)器包括閃爍體、I-F變換器和光電倍增管；控制系統(tǒng)由電源模塊、串口通信模塊和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理模塊等組成。具有探測(cè)器靈敏度高，能量響應(yīng)及角響應(yīng)好，功耗低，體積小，重量輕，鋰、干電池兩用，能直接給出測(cè)量結(jié)果，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。海洋輻射劑量傳感器模塊與主控制器通過串口連接。

2.1.5 銥星通信模塊

    浮標(biāo)的銥星通信模塊采用由銥星公司推出的銥星SBD終端模塊9602，是一款定牌生產(chǎn)合作產(chǎn)品(Origin Entrusted Manufacture，OEM)，僅能應(yīng)用于銥星SBD業(yè)務(wù)，體積小，其長(zhǎng)度、寬度和厚度分別是41 mm、45 mm和13 mm，重量輕(僅為3 g)。采用數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行雙向?qū)崟r(shí)短數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟BD業(yè)務(wù)，是銥星公司利用銥星全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋等優(yōu)勢(shì)提供的突發(fā)短數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，通信成本和費(fèi)用適中，主要用于區(qū)域自動(dòng)化和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)跟蹤的應(yīng)用開發(fā)^[6]。針對(duì)于本浮標(biāo)特殊的投放海域，利用銥星SBD實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是較優(yōu)的選擇。

    銥星SBD終端模塊9602的SBD業(yè)務(wù)通過RS-232C接口實(shí)現(xiàn)，波特率默認(rèn)為19 200 bit/s。該模塊每次最多接收270 B數(shù)據(jù)或發(fā)送340 B數(shù)據(jù)，且無須安裝SIM卡，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收時(shí)會(huì)發(fā)出振鈴。該模塊平均待機(jī)電流為45 mA，銥星SBD數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)的平均電流分別為195 mA和45 mA^[7]。用戶應(yīng)用監(jiān)控中心利用銥星SBD終端模塊9602，通過銥星通信網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

    監(jiān)控子系統(tǒng)的工作時(shí)序如圖2所示。

    (1)工作時(shí)，主控制板每1小時(shí)工作1次，每次工作5 min（整點(diǎn)前3 min，整點(diǎn)后2 min）。

    (2)GPS接收器受調(diào)度控制，每次加電后工作2 min（整點(diǎn)前后各1 min）。

    (3)海洋輻射劑量傳感器受調(diào)度控制，每次加電后工作5 min（整點(diǎn)前3 min，整點(diǎn)后2 min）。

    (4)銥星通信受調(diào)度控制，每次加電后工作1 min(整點(diǎn)后1 min)。

3 銥星通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件接口設(shè)計(jì)

    由于RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平與TTL數(shù)字電路邏輯電平不兼容，銥星SBD終端模塊9602的通信接口在采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，硬件電路連接首先要進(jìn)行通信接口電平轉(zhuǎn)換^[8]。為實(shí)現(xiàn)RS-232C電平轉(zhuǎn)換，接口器件采用Maxim公司的MAX3232E芯片，它是一款低功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)250 kb/s、擁有2路發(fā)送器和2路接收器的電平轉(zhuǎn)換芯片。浮標(biāo)銥星通信子系統(tǒng)的硬件接口電路如圖3所示。

3.2 銥星SBD通信的軟件設(shè)計(jì)

    銥星SBD通信的軟件設(shè)計(jì)核心是對(duì)銥星SBD終端模塊9602驅(qū)動(dòng)程序的研發(fā)，如圖4所示，以銥星SBD數(shù)據(jù)傳輸主程序流程為例，說明銥星SBD通信的軟件實(shí)現(xiàn)。該浮標(biāo)中銥星SBD通信進(jìn)行單次數(shù)據(jù)傳輸是按照?qǐng)D4所示命令步驟完成的。

4 用戶應(yīng)用監(jiān)控中心功能說明

　　在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過Email的方式，在用戶應(yīng)用監(jiān)控中心與地面銥星SBD關(guān)口站數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。銥星SBD關(guān)口站數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)接收SBD 數(shù)據(jù)以后，根據(jù)該SBD 數(shù)據(jù)中的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備身份證號(hào)(International Mobile Equipment Identity，IMEI)，利用銥星通信網(wǎng)絡(luò)，以Email附件的形式發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至該IMEI 號(hào)綁定的電子郵箱^[9]。用戶應(yīng)用監(jiān)控中心通過該IMEI 號(hào)綁定的電子郵箱，利用銥星通信網(wǎng)絡(luò)，以Email附件的形式發(fā)送命令內(nèi)容至銥星公司用于接收銥星控制命令的郵箱：data@sbd.iridium.com。如果整個(gè)操作過程無異常，會(huì)收到來自sbdservice@sbd.iridium.com的回復(fù)Email，說明Email發(fā)送成功，銥星SBD關(guān)口站數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送命令至銥星SBD終端模塊9602，該模塊會(huì)發(fā)出振鈴，向主控制器提示有命令到達(dá)。利用銥星SBD終端模塊9602進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)了用戶應(yīng)用監(jiān)控中心與浮標(biāo)之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。

5 海上模擬試驗(yàn)結(jié)果

    基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)搭載調(diào)查船，于2014年10月15日12點(diǎn)～2014年10月19日12點(diǎn)在南海進(jìn)行了海上模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)海況為東北風(fēng)5級(jí)，浪高2.5 m。用戶應(yīng)收數(shù)據(jù)96條，實(shí)收96條。隨機(jī)選取Email附件中部分遠(yuǎn)海走航實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

6 結(jié)論

    本文針對(duì)目前海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備存在的監(jiān)控區(qū)域有限和實(shí)時(shí)性通信限制等問題，利用控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于銥星通信的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，擴(kuò)大了海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的監(jiān)控范圍。實(shí)驗(yàn)表明，浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)相關(guān)海域海洋輻射總劑量等海洋環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通信狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收率高，達(dá)到了低功耗實(shí)時(shí)傳輸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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