屈 蕓，朱柯錦，方志偉

（北京中交通信科技有限公司，北京 100011）

1 引言

本文針對環(huán)境監(jiān)測站和采集設備的現(xiàn)狀，采用我國北斗短報文技術，配合成熟的海事衛(wèi)星設備，設計了一款同時使用北斗和海事衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集終端，擁有多個發(fā)送設備，降低了使用風險，提高了設備穩(wěn)定性和可靠性。

2 北斗海事衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集終端功能

2.1 數(shù)據(jù)采集功能

目前環(huán)境數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(huán)境監(jiān)測站安全使用，不會對工作人員和環(huán)境產(chǎn)生危害和影響。

2.2 北斗GNSS通信功能

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，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(wèi)星，范圍覆蓋亞太大部分地區(qū)，通過接收發(fā)送端的短報文數(shù)據(jù)和ID號，根據(jù)其需要將其轉(zhuǎn)發(fā)至接收端的設備中。海事衛(wèi)星系統(tǒng)是使用Inmarsat衛(wèi)星作為中繼站的船舶通信導航無線電通信系統(tǒng)。

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(fā)送短報文長度為90字節(jié)左右，因此我們將報文長度設置為64字節(jié)，通信頻率為2 分鐘1次。

采集芯片根據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)存儲并發(fā)送至通信芯片中，通信芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應設備要求的協(xié)議格式進行通信工作。數(shù)據(jù)發(fā)送后經(jīng)過衛(wèi)星系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)發(fā)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(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。

2.3 海事衛(wèi)星通信功能

海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是利用通信衛(wèi)星作為中繼站的一種船舶無線電通信系統(tǒng)。它具有全球（除南北極區(qū)外）、全時、全天候、穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量、大容量和自動通信等顯著優(yōu)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(wèi)星通信系統(tǒng)（INMARSAT）是移動業(yè)務衛(wèi)星通信系統(tǒng)（MSS）的一種。[2]

和北斗通信衛(wèi)星不同的是，海事衛(wèi)星Explorer-540設備具有上網(wǎng)功能，可通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心。IDP-690設備成本低，體積小，但不具有上網(wǎng)功能。由于海事衛(wèi)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(wèi)星數(shù)據(jù)采集終端設計方案

終端內(nèi)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(wèi)星的工作使用數(shù)據(jù)接口。

（1）采集模塊。接收并解析采集接口接收到的數(shù)據(jù)，根本目前制定的協(xié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并根據(jù)不同設備協(xié)議的需要，生成對應的短報文數(shù)據(jù)包，然后將數(shù)據(jù)包分別通過北斗設備和海事衛(wèi)星設備根據(jù)通信地址發(fā)送到指揮中心數(shù)據(jù)庫中。

（3）采集接口。采集串口通過串口調(diào)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(shù)據(jù)傳輸至采集模塊中。

（4）通信接口。通信網(wǎng)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(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過不同的終端發(fā)送到指揮中心處理。

通信串口通過串口調(diào)試工具，計算機連接通信串口可以修改北斗設備發(fā)送目標的ID卡號和海事衛(wèi)星設備。

4 終端軟件硬件協(xié)同設計

4.1 環(huán)境數(shù)據(jù)解析

為確保通信數(shù)據(jù)完整性和正確性，環(huán)境監(jiān)測站所發(fā)送的數(shù)據(jù)都具有特殊的數(shù)據(jù)協(xié)議規(guī)定?；诒O(jiān)測站的協(xié)議，數(shù)據(jù)采集終端必須根據(jù)協(xié)議制定解析數(shù)據(jù)的方案，數(shù)據(jù)包括包頭包尾校驗和。如果數(shù)據(jù)包校驗出錯，則將數(shù)據(jù)包丟棄，不會將錯誤的數(shù)據(jù)存入結構體中。

數(shù)據(jù)包內(nèi)容含有數(shù)據(jù)類型、時間和數(shù)值三項內(nèi)容。時間采用時間戳記錄和傳輸，如果新時間戳的數(shù)值比舊的數(shù)值大，證明數(shù)據(jù)是新數(shù)據(jù)，則會將結構體中數(shù)據(jù)更新為收到的數(shù)據(jù)，否則結構體中的數(shù)據(jù)將不會被更新。

4.2 北斗數(shù)據(jù)生成

北斗數(shù)據(jù)包也有獨特的通信協(xié)議，包含指令、長度、用戶地址、信息內(nèi)容和校驗和五個部分。在數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)送后，會有反饋信息返回發(fā)送端，反饋信息正確即可證明北斗成功發(fā)送短報文數(shù)據(jù)。

4.3 定位功能

北斗設備不僅能使用短報文發(fā)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(jiān)測站中，讓用戶更方便的根據(jù)地圖對數(shù)據(jù)有一個更加直觀的了解。

4.4 重啟功能

如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常，比如長時間無法收到反饋信息，則數(shù)據(jù)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(chǎn)生的無法正常發(fā)送數(shù)據(jù)包的問題。

5 結束語

本文針對目前環(huán)境監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀，給出了一種通過北斗和海事衛(wèi)星為通信途徑的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸實時、動態(tài)采集數(shù)據(jù)等優(yōu)點，彌補了環(huán)境監(jiān)測站因地理位置原因和環(huán)境保護要求無法使用基站和網(wǎng)絡的不足，為環(huán)境監(jiān)測基于衛(wèi)星通信可視化提供了有力的保障。