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北斗海事衛星數據采集終端在環境監測中的應用
來源:北京中交通信科技有限公司   作者:屈蕓/朱柯錦/方志偉   添加時間:2019-01-07 15:06
環境監測站和采集設備由于工作需要,必須放置在需要進行監測的地方,這些地方通信不便,人跡稀少,進行實時監測人工成本極高.對此提出一種基于北斗和海事衛星的數據采集傳輸控制系統,將采集到的數據通過北斗和海事衛星發送到指揮中心進行統一管理監測。該系
  1 引言
 
  本文針對環境監測站和采集設備的現狀,采用我國北斗短報文技術,配合成熟的海事衛星設備,設計了一款同時使用北斗和海事衛星的數據采集終端,擁有多個發送設備,降低了使用風險,提高了設備穩定性和可靠性。
 
  2 北斗海事衛星數據采集終端功能
 
  2.1 數據采集功能
 
  目前環境數據主要包括七項:高壓電離室輻射劑量率,碘化鈉輻射劑量率,溫度,濕度,氣壓,風速,風向。新數據采集終端依靠12~36v直流電供電,電壓不大對人體沒有危害,可以在環境監測站安全使用,不會對工作人員和環境產生危害和影響。
 
  2.2 北斗GNSS通信功能
 
  北斗衛星導航系統(以下簡稱北斗系統)是中國著眼于國家安 全和經濟社會發展需要,自主建設、獨立運行的衛星導航系統,是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施[1]。
 
  北斗短報文通信功能依靠的是五顆靜止軌道衛星,范圍覆蓋亞太大部分地區,通過接收發送端的短報文數據和ID號,根據其需要將其轉發至接收端的設備中。海事衛星系統是使用Inmarsat衛星作為中繼站的船舶通信導航無線電通信系統。
 
  北斗、GPS使用的是RNSS/RDSS模組,目前北斗短報文通信最高頻率是一分鐘一次,因為卡的級別限制,北斗最大發送短報文長度為90字節左右,因此我們將報文長度設置為64字節,通信頻率為2分鐘1次。
 
  采集芯片根據協議將數據存儲并發送至通信芯片中,通信芯片將數據轉換為對應設備要求的協議格式進行通信工作。數據發送后經過衛星系統,將數據發送至位于地面站指揮中心的各個對應設備的接收端中,由地面站指揮中心對數據進行統一管理。
 
  2.3 海事衛星通信功能
 
  海事衛星通信系統是利用通信衛星作為中繼站的一種船舶無線電通信系統。它具有全球(除南北極區外)、全時、全天候、穩定、可靠、高質量、大容量和自動通信等顯著優點,既可改善船舶營運和提高管理效率,而且有助于保障海上人命安全,還能應用于陸地探險等陸地通信不方便的地方。國際海事衛星通信系統INMARSAT)是移動業務衛星通信系統(MSS)的一種。[2]
 
  和北斗通信衛星不同的是,海事衛星Explorer -540設備具有上網功能,可通過互聯網將數據傳輸到指揮中心。IDP-690設備成本低,體積小,但不具有上網功能。由于海事衛星工作需要流量,因此我們和北斗保持一致,選擇了相同的頻率和報文長度。
 
  3 北斗海事衛星數據采集終端設計方案
 
  終端內置采集模塊和通信模塊,外部有采集串口和通信串口,以及北斗和海事衛星的工作使用數據接口。
 
  (1)采集模塊。接收并解析采集接口接收到的數據,根本目前制定的協議,將高壓電離室輻射劑量率,碘化鈉輻射劑量率,溫度,濕度,氣壓,風速,風向等數據存入緩存中并通過模塊之間的串口傳輸至通信模塊中。
 
  (2)通信模塊。接收來自采集模塊緩存中的數據,并根據不同設備協議的需要,生成對應的短報文數據包,然后將數據包分別通過北斗設備和海事衛星設備根據通信地址發送到指揮中心數據庫中。
 
  (3)采集接口。采集串口通過串口調試工具,計算機連接采集串口可以修改采集設備傳輸至該設備的IP地址和端口號,通過UDP通信將數據傳輸至采集模塊中。
 
  (4)通信接口。通信網口連接E-540,232接口連接北斗設備,485端口連接IDP終端,從通信模塊中讀取數據,將數據通過不同的終端發送到指揮中心處理。
 
  通信串口通過串口調試工具,計算機連接通信串口可以修改北斗設備發送目標的ID卡號和海事衛星設備。
 
  4 終端軟件硬件協同設計
 
  4.1 環境數據解析
 
  為確保通信數據完整性和正確性,環境監測站所發送的數據都具有特殊的數據協議規定。基于監測站的協議,數據采集終端必須根據協議制定解析數據的方案,數據包括包頭包尾校驗和。如果數據包校驗出錯,則將數據包丟棄,不會將錯誤的數據存入結構體中。
 
  數據包內容含有數據類型、時間和數值三項內容。時間采用時間戳記錄和傳輸,如果新時間戳的數值比舊的數值大,證明數據是新數據,則會將結構體中數據更新為收到的數據,否則結構體中的數據將不會被更新。
 
  4.2 北斗數據生成
 
  北斗數據包也有獨特的通信協議,包含指令、長度、用戶地址、信息內容和校驗和五個部分。在數據采集終端中只使用通信申請,IC檢測,時間輸出三個功能。通信申請功能即為發送短報文的功能,需要知道對方IC地址。IC檢測功能可以獲得本機地址,獲得指揮機和一體機的地址后,才可以進行短報文通信功能。北斗在通信申請功能發送后,會有反饋信息返回發送端,反饋信息正確即可證明北斗成功發送短報文數據。
 
  4.3 定位功能
 
  北斗設備不僅能使用短報文發送功能,同時也可以使用定位功能。通過定位功能,可以更好地確定設備被安置于哪一個監測站中,讓用戶更方便的根據地圖對數據有一個更加直觀的了解。
 
  4.4 重啟功能
 
  如果系統出現異常,比如長時間無法收到反饋信息,則數據采集終端將會重啟。這樣可以解決一部分因死機或卡頓而產生的無法正常發送數據包的問題。
 
  5 結束語
 
  本文針對目前環境監測站數據采集現狀,給出了一種通過北斗和海事衛星為通信途徑的數據采集終端設計方案,并詳細介紹了終端的軟件和硬件設計。該終端具有功耗低、成本低、數據傳輸實時、動態采集數據等優點,彌補了環境監測站因地理位置原因和環境保護要求無法使用基站和網絡的不足,為環境監測基于衛星通信可視化提供了有力的保障。
 
  參考文獻
 
  [1] 北斗系統介紹.http://www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
 
  [2] 海事衛星介紹.https://www.inmarsat.com/about-us/our-satellites/

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