文斌，李佶學(xué)，趙建，陳愛(ài)萍

基于Nios II和“北斗”一代的氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端設(shè)計(jì)?

文斌，李佶學(xué)，趙建，陳愛(ài)萍

（成都信息工程學(xué)院通信工程學(xué)院，成都610225）

為了解決廣大偏遠(yuǎn)山區(qū)氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收的“盲區(qū)”和供電困難的問(wèn)題，提出一種基于Nios II和“北斗”一代的氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端設(shè)計(jì)方案。采用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240和一體化的“北斗”一代射頻單收芯片RNC2410，有效降低了終端的成本、體積與功耗。同時(shí)利用Nios II軟核處理器，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)終端正確接收預(yù)警信息和報(bào)警。該方法已成功運(yùn)用于山區(qū)洪災(zāi)與泥石流頻發(fā)地區(qū)預(yù)警信息的接收。

“北斗”一代；災(zāi)害預(yù)警；信息接收終端；Nios II；低功耗

1 引言

偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)不僅是氣象預(yù)警信息發(fā)布的“盲區(qū)”，也是災(zāi)害防御的薄弱地區(qū)。在信息接收終端設(shè)計(jì)時(shí)，信息的準(zhǔn)確接收、終端的使用成本、電源供給都是主要考慮的問(wèn)題。目前，主要有以下兩種解決方案。一是利用無(wú)線廣播信號(hào)傳送語(yǔ)音和文字信息，接收終端不僅有聲音報(bào)警，還有文字顯示。這種方案終端的體積小，價(jià)格低，可直接用干電池供電，幾乎每個(gè)農(nóng)家都有能力配備。但遠(yuǎn)距離的無(wú)線廣播信號(hào)采用AM調(diào)制技術(shù)的長(zhǎng)波、中波或短波的形式來(lái)傳播，這種傳播信號(hào)的方式很容易受到晝夜、季節(jié)、太陽(yáng)黑子運(yùn)動(dòng)等因素的干擾，造成信號(hào)幅度的改變。因此，在山區(qū)此方案接收信息的穩(wěn)定性、可靠性得不到很好的保證。二是利用無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)手機(jī)短信平臺(tái)進(jìn)行預(yù)警信息發(fā)布，這種方案使用成本和發(fā)布成本都是最低廉的一種，但這種方案只適合在人口稠密地區(qū)使用，在偏遠(yuǎn)的山區(qū)依然存在很大的信號(hào)“盲區(qū)”。以上兩種方案雖然很好地解決了電源供給和使用成本的問(wèn)題，但應(yīng)用范圍嚴(yán)格受到限制，同時(shí)也不能完全解決山區(qū)預(yù)警信號(hào)有效覆蓋的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于Nios II和“北斗”一代的氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端設(shè)計(jì)方案。該方案以“北斗”一代系統(tǒng)作為氣象災(zāi)害預(yù)警信息的發(fā)布平臺(tái)，用戶通過(guò)“北斗”一代信息接收終端接收預(yù)警信息［1］。終端硬件采用邏輯密度高的Cyclone II系列EP1C12Q240芯片和“北斗”射頻單收芯片RNC2410為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，其終端功耗低、體積小、成本低，有利于大面積推廣使用。與現(xiàn)有的方案相比，本方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，利用“北斗”通信覆蓋能力強(qiáng)的特點(diǎn)，有效解決了預(yù)警信息發(fā)布覆蓋“盲區(qū)”；第二，利用“北斗”系統(tǒng)的健壯性、可靠性，在災(zāi)害發(fā)生后，“北斗”信息接收終端又可作為其他預(yù)警系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)；第三，硬件設(shè)計(jì)采用Nios II軟核處理器的設(shè)計(jì)方案，大大降低了終端的體積與功耗，采用太陽(yáng)能供電，有效解決了電源供給問(wèn)題，同時(shí)也降低了終端的成本，為氣象災(zāi)害預(yù)警信息及時(shí)進(jìn)村入戶創(chuàng)造了有利條件。

2 終端硬件實(shí)現(xiàn)原理

利用“北斗”一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)警信息接收終端，由于應(yīng)用環(huán)境和成本的考慮終端只有信息接收功能，沒(méi)有發(fā)送功能，這樣降低了終端所需的功耗和FPGA所需的邏輯門(mén)級(jí)數(shù)。其終端設(shè)計(jì)采用RN2410和EP1C12Q240為核心的雙芯片方案。通過(guò)EP1C12Q240內(nèi)置Nios II軟核處理器和移植UC／OS -II操作系統(tǒng)完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的接收、信息的存儲(chǔ)、顯示、音頻報(bào)警、電源管理、硬件監(jiān)視等功能。

終端硬件實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。在圖1中，RNC2410為“北斗”一代射頻單收芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口輸出數(shù)據(jù)。芯片集成了接收通道所有模塊和頻率綜合器。接收通道既可以提供模擬信號(hào)輸出，又可以提供ADC采樣后的量化信號(hào)輸出，并可提供采樣時(shí)鐘輸出，采用片外少量的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)“北斗”用戶機(jī)的接收功能。EP1C12Q240為核心處理芯片，它主要完成的功能包括衛(wèi)星信號(hào)的二維捕獲、數(shù)據(jù)解調(diào)、載波相位與碼相位的跟蹤，以及輸入、輸出控制等［2-3］。

圖1 終端硬件組成原理圖Fig.1 The general structure of terminal hardware

EP1C12Q240芯片中，除SIM卡接口電路通過(guò)硬件描述語(yǔ)言自己編寫(xiě)外，其余接口電路的IP核均來(lái)自于SOPC Builder軟件。其中配置芯片接口采用ASMI EPCS4系列，與之相連的Flash存儲(chǔ)空間中有如下內(nèi)容：一部分是FPGA的配置文件，另一部分作為常規(guī)程序存儲(chǔ)器用。采用此方案可以省去片外專門(mén)的程序存儲(chǔ)Flash，充分利用了配置芯片的資源［4-5］。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

氣象災(zāi)害預(yù)警信息接收終端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如圖2所示，系統(tǒng)幀頭數(shù)據(jù)、發(fā)送目的地址、系統(tǒng)幀尾數(shù)據(jù)均為“北斗”系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)段，嚴(yán)格按照其通信協(xié)議要求組織數(shù)據(jù)。幀號(hào)+數(shù)據(jù)類型占一個(gè)字節(jié)寬度，幀號(hào)占高4位，編號(hào)為0～15。數(shù)據(jù)類型占低4位，可根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類［6］。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議Fig.2 Data transport protocol

3.2終端的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用UC／OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。根據(jù)Altera公司提供的操作系統(tǒng)移植文檔，很容易將UC／OS-II移入Nios II處理器中。在UCOS操作系統(tǒng)中，主要設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)任務(wù)［7-8］：一是通信鏈路監(jiān)視任務(wù)，通過(guò)定時(shí)接收“北斗”系統(tǒng)的廣播信息來(lái)判定通信鏈路是否正常，如在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到“北斗”廣播信息就向用戶發(fā)出終端硬件有錯(cuò)的報(bào)警；二是報(bào)警輸出任務(wù)，當(dāng)收到氣象預(yù)警信息后，根據(jù)不同的情況進(jìn)行報(bào)警；三是數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解幀，得到原始的數(shù)據(jù)流；四是顯示任務(wù)，完成人機(jī)界面功能；五是系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

3.2.1終端通信鏈路工作狀態(tài)的監(jiān)視程序流程

“北斗”一代系統(tǒng)廣播信息每31.25 ms一幀，連續(xù)不斷地發(fā)送。一條完整的廣播信息被安排在1 min內(nèi)，幀號(hào)從1～1 920內(nèi)不同的號(hào)段內(nèi)重復(fù)發(fā)送。在接收終端，每分鐘都能正確收到一條完整的廣播信息。如果終端在連續(xù)2 min內(nèi)沒(méi)有正確收到廣播信息，說(shuō)明終端的通信功能不正常，采用聲音向用戶報(bào)警。同時(shí)，終端正常工作時(shí)，具有語(yǔ)音報(bào)時(shí)功能，用戶根據(jù)不同的聲音來(lái)判斷終端的工作狀況，其廣播信息接收及報(bào)警程序?qū)崿F(xiàn)算法流程如圖3所示。

圖3 通信鏈路工作狀態(tài)監(jiān)視程序流程Fig.3 Flowchart of communications link work state monitor process

3.2.2氣象預(yù)警信息接收數(shù)據(jù)程序流程

經(jīng)終端天線收到的“北斗”信號(hào)送入40 dB的低噪放大器放大，然后送入射頻接收芯片RNC2410進(jìn)行下變頻處理轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，再經(jīng)A／D量化后輸出送入EP1C12Q240中完成捕獲、跟蹤、解調(diào)、幀同步等功能，提取通信電文，然后將電文送入Nios II中進(jìn)行數(shù)據(jù)解幀得到氣象預(yù)警信息。根據(jù)預(yù)警信息定義的規(guī)則進(jìn)行報(bào)警與顯示，其程序?qū)崿F(xiàn)算法如圖4所示。

圖4 信息接收數(shù)據(jù)程序流程Fig.4 The program flow of warning information receiving

4 測(cè)試

報(bào)警終端主要完成災(zāi)害預(yù)警信息的接收、通信鏈路監(jiān)視、報(bào)警等主要功能。為了便于測(cè)試與分析，在終端中運(yùn)行一個(gè)測(cè)試程序。在測(cè)試過(guò)程中將“北斗”信號(hào)快捕失敗、接收解算錯(cuò)誤與定時(shí)時(shí)間到?jīng)]有收到數(shù)據(jù)均作數(shù)據(jù)丟失處理。為了便于對(duì)比分析，在另一個(gè)“北斗”發(fā)送終端中每30 s發(fā)送“111111111111111111111111”和“今天天氣真好”兩幀數(shù)據(jù)，并且交替循環(huán)發(fā)送。在測(cè)試程序中統(tǒng)計(jì)接收到的數(shù)據(jù)的總幀數(shù)、丟失數(shù)據(jù)的總幀數(shù)等相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)串行口發(fā)送給PC機(jī)。同時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送終端與接收終端的時(shí)鐘均與“北斗”時(shí)鐘同步。

在PC機(jī)中運(yùn)行一個(gè)監(jiān)視程序顯示接收終端數(shù)據(jù)接收情況，運(yùn)行界面如圖5所示，其數(shù)據(jù)接收區(qū)為預(yù)警信息接收內(nèi)容。衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度指示條最多為4條，只要信號(hào)強(qiáng)度指示有1條以上都能進(jìn)行通信。右邊為接收情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果。為了測(cè)試終端在接收信號(hào)強(qiáng)弱不同的情況下數(shù)據(jù)發(fā)送的情況，通過(guò)改變終端接收天線的位置和方向進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5 數(shù)據(jù)接收監(jiān)視結(jié)果Fig.5 The monitoring result of data receiving

表1 不同信號(hào)強(qiáng)度下網(wǎng)關(guān)通信情況Table 1 The communication state of gateway in different signal strength

從表1中可看出，在不同信號(hào)強(qiáng)度下，經(jīng)過(guò)12 h的連續(xù)測(cè)試，當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度在2個(gè)指示條以上時(shí)，均能達(dá)到98%的成功率；當(dāng)只有1個(gè)信號(hào)指示條時(shí)，如有信號(hào)指示條閃斷表明接收信號(hào)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)丟失和CRC檢驗(yàn)錯(cuò)誤的幀數(shù)增加，其數(shù)據(jù)接收的成功率就降低了。

5 結(jié)論

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試證明終端信息接收是穩(wěn)定、可靠的。盡管終端只收不發(fā)，但利用“北斗”系統(tǒng)定時(shí)發(fā)送廣播信號(hào)，可正確監(jiān)視終端通信鏈路和工作狀態(tài)是否穩(wěn)定，一旦發(fā)現(xiàn)終端不能正確接收“北斗”信號(hào)就及時(shí)報(bào)警。為了加大數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率要求發(fā)送信息每次都用“北斗”系統(tǒng)定義的短幀發(fā)送，而不用其定義的超幀進(jìn)行發(fā)送。終端采用太陽(yáng)能電池供電，成本較低，可在山村以組為單位進(jìn)行大面積布點(diǎn)，為國(guó)家提出的到2015年氣象災(zāi)害預(yù)警信息公眾覆蓋率達(dá)到90%以上，到2020年，建成功能齊全、科學(xué)高效、覆蓋城鄉(xiāng)和沿海的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，基本消除預(yù)警信息發(fā)布“盲區(qū)”的目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］劉堯成，華小軍，韓友平.北斗衛(wèi)星通信在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2007，38（10）：120-121.

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LIU Ming-bo，SUN Yong-can，GEN Wen-jian.Design and implementation of embedded net watching and commanding system based on UC／OS-II［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（24）：5211-5215.（in Chinese）

WEN Bin was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1970.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns development of communication product and embedded product.

Email：bwen＠cuit.edu.cn

李佶學(xué)（1991—），男，四川眉山人，主要從事無(wú)線與移動(dòng)通信研發(fā)；

LI Ji-xue was born in Meishan，Sichuan Province，in 1991.His research concerns R＆D of wireless and mobile communication product.

趙建（1979—），男，四川成都人，2009年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事通信產(chǎn)品以及嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)；

ZHAO Jian was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1979. He received the M.S.degree in 2009.He is now a lecturer.His research concerns development of communication product and embedded product.

陳愛(ài)萍（1964—），女，四川成都人，1988年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與射頻技術(shù)。

CHEN Ai-ping was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1964.She received the M.S.degree in 1988.She is now an associate professor.Her research interests include wireless communication and radio frequency technology.

Design of Early-warning Information Receiving Terminal Based on Nios II and Beidou First Generation System

WEN Bin，LI Ji-xue，ZHAO Jian，CHEN Ai-ping
（Department of Communication Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Based on Nios II and Beidou first generation system，a meteorological disaster warning information receiving terminal design scheme is proposed to deal with problems of receiving early-warning information in the majority of remote mountain where information receiving blind spot exists and power supply is difficult.By adopting FPGA EP1C12Q240 and RNC2410 RF chip，the cost，size and power consumption of the warning information receiving terminal hardware are reduced.At the same time，by using Nios II soft-core processor，this terminal can realize correct receiving early-warning information and alarm through software design.This method has been successfully applied in receiving early-warning information in mountain floods and debris flow-prone areas.

Beidou first generation system；disaster warning；information receiving terminal；Nios II；low power consumption

The Natural Science and Technological Development Fund of Chengdu University of Information Technology（CSRF200805）

TN967.1；TN802

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.036

文斌（1970—），男，四川成都人，2007年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事通信產(chǎn)品以及嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)；

1001-893X（2012）05-0786-04

2011-09-28；

2012-02-21

成都信息工程學(xué)院自然科學(xué)與技術(shù)發(fā)展基金資助項(xiàng)目（CSRF200805）