姚 钘，李 云，劉 瓊

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541004）

0 引言

海洋大約占據(jù)著地球面積的71%；而其中的水更是占據(jù)總水量的97%。它是人類賴以生存的重要組成部分，是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的寶貴財(cái)富[1]。近年來國家對(duì)海洋的關(guān)注度越來越高，《中國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展報(bào)告2020》中指出“2019年，我國海洋生產(chǎn)總值超過8.9萬億元，海洋經(jīng)濟(jì)對(duì)國民經(jīng)濟(jì)增長的貢獻(xiàn)率達(dá)到9.1%”[2]，海洋在國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的地位和作用日益突出。然而仍有部分人只注重短期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以犧牲海洋生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，“鼓了自己的錢袋，毀了美麗的生態(tài)”，海洋環(huán)境的破壞程度令人觸目驚心，海洋環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測迫在眉睫。2017年5月4日，國家發(fā)展改革委、海洋局聯(lián)合發(fā)布《全國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，規(guī)劃中明確指出要提升海洋公共服務(wù)業(yè)，推進(jìn)高新信息技術(shù)與海洋產(chǎn)業(yè)深度融合，加強(qiáng)海洋信息化體系建設(shè)，推進(jìn)國家海洋環(huán)境實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)和海外觀（監(jiān)）測站點(diǎn)建設(shè)，逐步形成全球海洋立體觀（監(jiān)）測系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)海洋生態(tài)的觀測研究[3]。而目前現(xiàn)行的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大都以浮標(biāo)為主，這類系統(tǒng)存在著較大的缺陷，例如部分系統(tǒng)中的浮標(biāo)采集后僅能存儲(chǔ)在本地，而后等待人力回收進(jìn)行處理，遺失較多且人力成本較高；部分浮標(biāo)雖配備了BD/GPS或4G/5G 等回傳通信模塊，但在遠(yuǎn)海區(qū)域信號(hào)質(zhì)量較差，往往無法回傳造成失效，如何解決此類問題成為現(xiàn)下需要解決的關(guān)鍵任務(wù)，本文介紹的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正是在上述背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

1 設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)是以現(xiàn)有海洋浮標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行的升級(jí)改造，以形成“天 -地-海”一體化的海洋環(huán)境立體監(jiān)測能力的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，響應(yīng)國家建設(shè)全球海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃目標(biāo)。該系統(tǒng)主要分為四大部分：浮標(biāo)子系統(tǒng)（若干遠(yuǎn)海浮標(biāo) +若干近海浮標(biāo)）、水下無人航行器、水面無人船、地面控制站。浮標(biāo)子系統(tǒng)在原有浮標(biāo)系統(tǒng)新增水聲通信鏈路，組成浮標(biāo)數(shù)據(jù)網(wǎng)，由于遠(yuǎn)海浮標(biāo)信號(hào)質(zhì)量較差，因而通過浮標(biāo)組網(wǎng)將部分監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至近海浮標(biāo)，而近海浮標(biāo)則通過4G 移動(dòng)基站（或北斗衛(wèi)星報(bào)文系統(tǒng)，優(yōu)先4G 網(wǎng)絡(luò)）與地面控制站通信；由于浮標(biāo)間隔距離問題，浮標(biāo)間監(jiān)測存在空白，水下無人航行器和水面無人船定期進(jìn)行固定航跡巡游，以此類機(jī)動(dòng)平臺(tái)解決監(jiān)測存在空白區(qū)域的問題，同時(shí)以類似“蜜蜂采蜜”方式采集浮標(biāo)的大數(shù)據(jù)量信息，解決水下生態(tài)圖片、視頻等數(shù)據(jù)采集問題；地面控制站負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收和處理以及相關(guān)控制指令的下發(fā)，從而完成人機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)。本系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案

本系統(tǒng)的組成如上節(jié)所述，主要由四個(gè)部分組成：浮標(biāo)子系統(tǒng)、水下無人航行器、水面無人船、地面控制站，其中人員是與地面控制站進(jìn)行交互，因此，以地面控制站為主體進(jìn)行本系統(tǒng)的工作過程劃分，主要分為下發(fā)指令和收集數(shù)據(jù)兩類任務(wù)。

下發(fā)指令的工作過程：地面控制站（控制指令源）根據(jù)信號(hào)質(zhì)量情況選擇使用4G 移動(dòng)基站或北斗衛(wèi)星將控制指令發(fā)送至近海浮標(biāo)，近海浮標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)該控制指令至整個(gè)浮標(biāo)網(wǎng)，當(dāng)該消息包 ID 與某浮標(biāo)相符時(shí)則該浮標(biāo)執(zhí)行指令，從而達(dá)到控制的目的；地面控制站對(duì)于水下無人航行器的控制是由近海浮標(biāo)接收后通過浮標(biāo)網(wǎng)轉(zhuǎn)換為水聲信號(hào)發(fā)送，當(dāng)消息ID 與水下無人航行器設(shè)定 ID一致時(shí)，水下無人航行器則執(zhí)行該條指令；水面無人船與地面控制站的通信有兩類途徑：一類與水下無人航行器類似，一類是通過4G 移動(dòng)基站或北斗衛(wèi)星傳輸控制指令，這類方法僅在近海適用。上述下發(fā)指令工作過程的信號(hào)流向圖如圖 2所示。

圖2 下發(fā)指令工作過程的信號(hào)流向圖

采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)主要由浮標(biāo)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)，這其中包括小數(shù)據(jù)量的水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)量的水下生態(tài)圖片視頻等數(shù)據(jù)，針對(duì)這兩類數(shù)據(jù)系統(tǒng)采取兩類不同的方法進(jìn)行收集。具體收集數(shù)據(jù)工作過程的信號(hào)流向圖如圖3所示。

圖3 收集數(shù)據(jù)工作過程的信號(hào)流向圖

收集小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)（水質(zhì)參數(shù)等）的工作過程：浮標(biāo)子系統(tǒng)中的遠(yuǎn)海浮標(biāo)和近海浮標(biāo)共同負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，近海浮標(biāo)直接通過4G 移動(dòng)基站或者北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)送回至地面控制站，而遠(yuǎn)海浮標(biāo)由于4G 等信號(hào)較差無法直接將數(shù)據(jù)送回，轉(zhuǎn)而通過水聲信號(hào)借助浮標(biāo)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至近海浮標(biāo)后，使用4G 移動(dòng)基站或者北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)送回至地面控制站，以此實(shí)現(xiàn)收集數(shù)據(jù)的目的，至此所有浮標(biāo)采集的小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)均能傳回地面控制站。

收集大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)（圖片視頻等）的工作過程：近海浮標(biāo)可通過4G 移動(dòng)基站直接將大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)傳回，而遠(yuǎn)海浮標(biāo)由于水聲信號(hào)的速率限制，僅幾kbps，無法直接傳回大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)。因而使用水面無人船、水下無人航行器按照“蜜蜂采蜜”的原理，使得水面無人船按照固定航線定點(diǎn)航行至遠(yuǎn)海浮標(biāo)附近使用 Wi-Fi 信號(hào)接收遠(yuǎn)海浮標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至內(nèi)部SD 卡后返回，同樣水下無人航行器至遠(yuǎn)海浮標(biāo)附近后利用光信號(hào)接收該浮標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至內(nèi)部 SD 卡后返回，至此即可完成收集所有浮標(biāo)采集的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)。

通過上述的流程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的立體監(jiān)測，而用以支撐此流程的組成部分具體硬件實(shí)現(xiàn)方案如下所述（以浮標(biāo)子系統(tǒng)為例）。

浮標(biāo)子系統(tǒng)主要分為兩類：遠(yuǎn)海浮標(biāo)和近海浮標(biāo)，遠(yuǎn)海浮標(biāo)的硬件方案較近海相對(duì)簡單，下面分別對(duì)這兩類的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

遠(yuǎn)海浮標(biāo)硬件結(jié)構(gòu)包括 STM32F405模塊、水聲通信模塊、 Wi-Fi 模塊、 CTD 傳感器、相機(jī)、光通信模塊、 SD卡、電源轉(zhuǎn)換八個(gè)部分。其中電源轉(zhuǎn)換將浮標(biāo)電源 16 V 轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的 5 V、3.3 V、12 V 電壓，供給其他七個(gè)部分使用； STM32F405模塊作為主控，與水聲通信模塊通過 UART 接口連接，用于將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換成水聲信號(hào)傳輸；與 CTD 傳感器通過 UART 接口連接，相機(jī)通過 I2C 接口連接，用于獲取水質(zhì)參數(shù)及水下生態(tài)圖片視頻等；與 Wi-Fi 模塊、光通信模塊均分別通過 SPI 接口連接，用于將相關(guān)信息轉(zhuǎn)換無線信號(hào)、光信號(hào)傳輸；與 SD 卡通過SDIO 接口連接，用于存儲(chǔ)CTD 傳感器、相機(jī)產(chǎn)生的水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)海浮標(biāo)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)海浮標(biāo)硬件結(jié)構(gòu)圖

近海浮標(biāo)硬件結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)海浮標(biāo)類似，僅比其多2個(gè)模塊：4G 通信模塊和北斗模塊，這兩個(gè)模塊均通過UART 接口與STM32F405主控模塊連接，用于將水質(zhì)參數(shù)等小數(shù)據(jù)量信息轉(zhuǎn)發(fā)至地面控制站，也將地面控制站的相關(guān)控制指令傳至STM32F405主控模塊進(jìn)行后續(xù)處理。近海浮標(biāo)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 近海浮標(biāo)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

習(xí)總書記曾在調(diào)研時(shí)指出“發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、海洋科研是推動(dòng)強(qiáng)國戰(zhàn)略重要方面，一定要抓好，關(guān)鍵的技術(shù)要靠自主研發(fā)，海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展前途無量”[4]。作為對(duì)于海洋經(jīng)濟(jì)有著重要影響力的海洋環(huán)境，一種對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確監(jiān)測的系統(tǒng)將是后續(xù)發(fā)展的必然需要。本文介紹的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正在在此領(lǐng)域的一次探索，主要從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路以及各組成部分的實(shí)現(xiàn)方案兩個(gè)方面分別進(jìn)行了詳述，其數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性較現(xiàn)有系統(tǒng)有所提升且使用方便，同時(shí)可對(duì)海事部門布放的原有浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，因而成本相對(duì)較低，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。