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北斗海事卫星数据采集终端在环境监测中的应用
来源:北京中交通信科技有限公司   作者:屈芸/朱柯锦/方志伟   添加时间:2019-01-07 15:06
环境监测站和采集设备由于工作需要,必须放置在需要进行监测的地方,这些地方通信不便,人迹稀少,进行实时监测人工成本极高.对此提出一种基于北斗和海事卫星的数据采集传输控制系统,将采集到的数据通过北斗和海事卫星发送到指挥中心进行统一管理监测。该系
  1 引言
 
  本文针对环境监测站和采集设备的现状,采用我国北斗短报文技术,配合成熟的海事卫星设备,设计了一款同时使用北斗和海事卫星的数据采集终端,拥有多个发送设备,降低了使用风险,提高了设备稳定性和可靠性。
 
  2 北斗海事卫星数据采集终端功能
 
  2.1 数据采集功能
 
  目前环境数据主要包括七项:高压电离室辐射剂量率,碘化钠辐射剂量率,温度,湿度,气压,风速,风向。新数据采集终端依靠12~36v直流电供电,电压不大对人体没有危害,可以在环境监测站安全使用,不会对工作人员和环境产生危害和影响。
 
  2.2 北斗GNSS通信功能
 
  北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国着眼于国家安 全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]。
 
  北斗短报文通信功能依靠的是五颗静止轨道卫星,范围覆盖亚太大部分地区,通过接收发送端的短报文数据和ID号,根据其需要将其转发至接收端的设备中。海事卫星系统是使用Inmarsat卫星作为中继站的船舶通信导航无线电通信系统。
 
  北斗、GPS使用的是RNSS/RDSS模组,目前北斗短报文通信最高频率是一分钟一次,因为卡的级别限制,北斗最大发送短报文长度为90字节左右,因此我们将报文长度设置为64字节,通信频率为2分钟1次。
 
  采集芯片根据协议将数据存储并发送至通信芯片中,通信芯片将数据转换为对应设备要求的协议格式进行通信工作。数据发送后经过卫星系统,将数据发送至位于地面站指挥中心的各个对应设备的接收端中,由地面站指挥中心对数据进行统一管理。
 
  2.3 海事卫星通信功能
 
  海事卫星通信系统是利用通信卫星作为中继站的一种船舶无线电通信系统。它具有全球(除南北极区外)、全时、全天候、稳定、可靠、高质量、大容量和自动通信等显着优点,既可改善船舶营运和提高管理效率,而且有助于保障海上人命安全,还能应用于陆地探险等陆地通信不方便的地方。国际海事卫星通信系统INMARSAT)是移动业务卫星通信系统(MSS)的一种。[2]
 
  和北斗通信卫星不同的是,海事卫星Explorer -540设备具有上网功能,可通过互联网将数据传输到指挥中心。IDP-690设备成本低,体积小,但不具有上网功能。由于海事卫星工作需要流量,因此我们和北斗保持一致,选择了相同的频率和报文长度。
 
  3 北斗海事卫星数据采集终端设计方案
 
  终端内置采集模块和通信模块,外部有采集串口和通信串口,以及北斗和海事卫星的工作使用数据接口。
 
  (1)采集模块。接收并解析采集接口接收到的数据,根本目前制定的协议,将高压电离室辐射剂量率,碘化钠辐射剂量率,温度,湿度,气压,风速,风向等数据存入缓存中并通过模块之间的串口传输至通信模块中。
 
  (2)通信模块。接收来自采集模块缓存中的数据,并根据不同设备协议的需要,生成对应的短报文数据包,然后将数据包分别通过北斗设备和海事卫星设备根据通信地址发送到指挥中心数据库中。
 
  (3)采集接口。采集串口通过串口调试工具,计算机连接采集串口可以修改采集设备传输至该设备的IP地址和端口号,通过UDP通信将数据传输至采集模块中。
 
  (4)通信接口。通信网口连接E-540,232接口连接北斗设备,485端口连接IDP终端,从通信模块中读取数据,将数据通过不同的终端发送到指挥中心处理。
 
  通信串口通过串口调试工具,计算机连接通信串口可以修改北斗设备发送目标的ID卡号和海事卫星设备。
 
  4 终端软件硬件协同设计
 
  4.1 环境数据解析
 
  为确保通信数据完整性和正确性,环境监测站所发送的数据都具有特殊的数据协议规定。基于监测站的协议,数据采集终端必须根据协议制定解析数据的方案,数据包括包头包尾校验和。如果数据包校验出错,则将数据包丢弃,不会将错误的数据存入结构体中。
 
  数据包内容含有数据类型、时间和数值三项内容。时间采用时间戳记录和传输,如果新时间戳的数值比旧的数值大,证明数据是新数据,则会将结构体中数据更新为收到的数据,否则结构体中的数据将不会被更新。
 
  4.2 北斗数据生成
 
  北斗数据包也有独特的通信协议,包含指令、长度、用户地址、信息内容和校验和五个部分。在数据采集终端中只使用通信申请,IC检测,时间输出三个功能。通信申请功能即为发送短报文的功能,需要知道对方IC地址。IC检测功能可以获得本机地址,获得指挥机和一体机的地址后,才可以进行短报文通信功能。北斗在通信申请功能发送后,会有反馈信息返回发送端,反馈信息正确即可证明北斗成功发送短报文数据。
 
  4.3 定位功能
 
  北斗设备不仅能使用短报文发送功能,同时也可以使用定位功能。通过定位功能,可以更好地确定设备被安置于哪一个监测站中,让用户更方便的根据地图对数据有一个更加直观的了解。
 
  4.4 重启功能
 
  如果系统出现异常,比如长时间无法收到反馈信息,则数据采集终端将会重启。这样可以解决一部分因死机或卡顿而产生的无法正常发送数据包的问题。
 
  5 结束语
 
  本文针对目前环境监测站数据采集现状,给出了一种通过北斗和海事卫星为通信途径的数据采集终端设计方案,并详细介绍了终端的软件和硬件设计。该终端具有功耗低、成本低、数据传输实时、动态采集数据等优点,弥补了环境监测站因地理位置原因和环境保护要求无法使用基站和网络的不足,为环境监测基于卫星通信可视化提供了有力的保障。
 
  参考文献
 
  [1] 北斗系统介绍.http://www.beidou.gov.cn/xt/xtjs/
 
  [2] 海事卫星介绍.https://www.inmarsat.com/about-us/our-satellites/

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