0 引言

    核輻射事故的突發性和擴散性嚴重威脅到了國家政治、經濟和社會安全^[1]。2011年3月11日，發生于日本東北地區宮城縣北部的9級地震引發海嘯，地震和海嘯造成了福島核電站的重大核泄漏事故，導致大量放射性物質被釋放到了周邊環境中，致使日本損失巨大^[2]，事故也引起了我國政府和人民的高度關注。

    隨著衛星通信技術的發展，越來越多的海洋監測儀器使用衛星通信技術來傳輸測量數據，目前正在運營的衛星通信系統有Argos系統、北斗衛星導航系統和銥星系統等。

    為研究福島核事故對西太平洋海洋環境的影響，利用漂流浮標開展了海洋環境γ劑量率的監測和研究，但由于該搭載平臺原使用北斗衛星通信系統，監測區域受到北斗衛星通信范圍的限制，導致該系統在西太平洋海域不能覆蓋。另外，因為海洋環境在線監測浮標采用電池供電，而北斗衛星通信模塊發射電流較大(約3 A)，所以功耗較高。如改為Argos衛星通信系統，其監測數據的實時性又受到限制，需在衛星過頂后才能接收監測數據，且需應用三代以后的產品，才能構成雙向鏈路^[3]。

    由分布在6個極地圓軌道面的距地球表面約780 km的66顆低軌衛星組成的銥星系統^[4]，星際鏈路技術是其最大的特點，它在理論上確保了銥星系統能由一個關口站完成衛星通信接續的整個過程。可全球范圍內進行通信是其最大的優勢，對于現有通信方式達不到的地方非常適用^[5]，而且通信費用不高，單次傳輸數據量大，功耗較低，特別適用于本浮標布放的西太平洋海域。

    因此，本文提出設計基于銥星通信的海洋環境在線監測浮標，以滿足海洋環境在線監測對范圍和數據實時性的要求。

1 海洋環境在線監測浮標總體結構

    海洋環境在線監測浮標投放后，即自動展開進入工作狀態開始在線監測，測量海洋輻射總劑量和其他海洋環境參數（溫度、鹽度、深度等），并監控浮標的工作狀態，測量數據通過銥星通信發送至用戶應用監控中心。

    該浮標的總體構成如圖1所示。主要由監控子系統、銥星通信子系統和用戶應用監控中心三部分構成，其中監控子系統的測量控制由傳感器、GPS模塊、信息采集、信息處理、供電電源和銥星突發短數據(Short Burst Data，SBD)終端模塊9602等部分組成。GPS模塊安裝在浮標內部，以獲得海洋環境在線監測浮標的實時位置。傳感器采用HD—2005型便攜式χ-γ劑量率儀和海水溫鹽深測量儀等，安裝于浮標內部水下位置。信息采集單元實時采集的浮標位置、海洋環境在線監測數據和浮標狀態等信息，通過UART傳輸至信息處理單元，對接收到的信息進行分析、處理和存儲。

    然后通過銥星SBD終端模塊9602以Email的形式發送至郵箱，用戶應用監控中心收取Email獲取在線監測數據和GPS定位信息等，監控浮標工作狀態，并通過Email反向發送控制命令，設置浮標系統時間，控制浮標的工作時間間隔等。

2 監控子系統設計

2.1 硬件模塊設計

2.1.1 供電電源模塊

    由于海洋環境在線監測浮標屬于機動應急性監測系統，投放前處于非工作狀態，而且在工作時也處于間歇工作方式。為了防止電池在處于長期不工作狀態時開機出現電壓滯后現象，影響系統的正常工作，而且考慮電池的安全性，系統的供電電池采用具有大電流輸出能力強、容量大、體積小、安全性高等特點的鋰錳電池，通過計算可以驗證，電池組能滿足浮標工作要求，確保浮標工作正常。

2.1.2 主控制器

    浮標的主控制器采用Silicon Laboratories公司推出的C8051F020。芯片采用Silabs公司的CIP-51內核，兼容標準的MCS-51指令系統，是能獨立工作的片上系統。片內具有22個中斷源、7個復位源、1個獨立運行的時鐘發生器、5個通用的16位定時器和2個全雙工UART串行接口等豐富資源，能很好地實現傳感器數據的獲取、分析及處理并完成銥星通信任務。主控制器與銥星SBD終端模塊9602通過UART0連接。

2.1.3 GPS模塊

    浮標的GPS模塊采用達伽馬GPS模塊SR-87，該模塊使用高靈敏度且低功耗的SIRF III芯片組，冷啟動時間短，可同時追蹤多達20顆衛星，定位精度要優于利用銥星SBD 終端模塊9602測得的結果，且導航更新速率快，非常適用于浮標的定位服務和銥星通信任務。GPS模塊與主控制器通過串口連接。

2.1.4 海洋輻射劑量傳感器模塊

    浮標的海洋輻射劑量傳感器模塊采用HD—2005型便攜式χ-γ劑量率儀，由探測器和控制系統兩部分組成。探測器包括閃爍體、I-F變換器和光電倍增管；控制系統由電源模塊、串口通信模塊和單片機數據采集處理模塊等組成。具有探測器靈敏度高，能量響應及角響應好，功耗低，體積小，重量輕，鋰、干電池兩用，能直接給出測量結果，測量精度高等特點。海洋輻射劑量傳感器模塊與主控制器通過串口連接。

2.1.5 銥星通信模塊

    浮標的銥星通信模塊采用由銥星公司推出的銥星SBD終端模塊9602，是一款定牌生產合作產品(Origin Entrusted Manufacture，OEM)，僅能應用于銥星SBD業務，體積小，其長度、寬度和厚度分別是41 mm、45 mm和13 mm，重量輕(僅為3 g)。采用數據包的形式進行雙向實時短數據傳輸的SBD業務，是銥星公司利用銥星全球網絡覆蓋等優勢提供的突發短數據傳輸服務，通信成本和費用適中，主要用于區域自動化和遠程數據跟蹤的應用開發^[6]。針對于本浮標特殊的投放海域，利用銥星SBD實現數據傳輸是較優的選擇。

    銥星SBD終端模塊9602的SBD業務通過RS-232C接口實現，波特率默認為19 200 bit/s。該模塊每次最多接收270 B數據或發送340 B數據，且無須安裝SIM卡，當有數據接收時會發出振鈴。該模塊平均待機電流為45 mA，銥星SBD數據發送和接收時的平均電流分別為195 mA和45 mA^[7]。用戶應用監控中心利用銥星SBD終端模塊9602，通過銥星通信網絡完成數據發送與接收。

2.2 軟件設計

    監控子系統的工作時序如圖2所示。

    (1)工作時，主控制板每1小時工作1次，每次工作5 min（整點前3 min，整點后2 min）。

    (2)GPS接收器受調度控制，每次加電后工作2 min（整點前后各1 min）。

    (3)海洋輻射劑量傳感器受調度控制，每次加電后工作5 min（整點前3 min，整點后2 min）。

    (4)銥星通信受調度控制，每次加電后工作1 min(整點后1 min)。

3 銥星通信子系統設計

3.1 硬件接口設計

    由于RS-232C標準的邏輯電平與TTL數字電路邏輯電平不兼容，銥星SBD終端模塊9602的通信接口在采用RS-232C標準時，硬件電路連接首先要進行通信接口電平轉換^[8]。為實現RS-232C電平轉換，接口器件采用Maxim公司的MAX3232E芯片，它是一款低功耗、數據傳輸速率最高可達250 kb/s、擁有2路發送器和2路接收器的電平轉換芯片。浮標銥星通信子系統的硬件接口電路如圖3所示。

3.2 銥星SBD通信的軟件設計

    銥星SBD通信的軟件設計核心是對銥星SBD終端模塊9602驅動程序的研發，如圖4所示，以銥星SBD數據傳輸主程序流程為例，說明銥星SBD通信的軟件實現。該浮標中銥星SBD通信進行單次數據傳輸是按照圖4所示命令步驟完成的。

4 用戶應用監控中心功能說明

　　在線監測數據通過Email的方式，在用戶應用監控中心與地面銥星SBD關口站數據服務系統之間進行數據傳輸。銥星SBD關口站數據服務系統接收SBD 數據以后，根據該SBD 數據中的國際移動設備身份證號(International Mobile Equipment Identity，IMEI)，利用銥星通信網絡，以Email附件的形式發送相關數據至該IMEI 號綁定的電子郵箱^[9]。用戶應用監控中心通過該IMEI 號綁定的電子郵箱，利用銥星通信網絡，以Email附件的形式發送命令內容至銥星公司用于接收銥星控制命令的郵箱：data@sbd.iridium.com。如果整個操作過程無異常，會收到來自sbdservice@sbd.iridium.com的回復Email，說明Email發送成功，銥星SBD關口站數據服務系統發送命令至銥星SBD終端模塊9602，該模塊會發出振鈴，向主控制器提示有命令到達。利用銥星SBD終端模塊9602進行無線數據的發送與接收，實現了用戶應用監控中心與浮標之間的數據雙向傳輸。

5 海上模擬試驗結果

    基于銥星通信的海洋環境在線監測浮標搭載調查船，于2014年10月15日12點～2014年10月19日12點在南海進行了海上模擬試驗。試驗海況為東北風5級，浪高2.5 m。用戶應收數據96條，實收96條。隨機選取Email附件中部分遠海走航實驗數據，如表1所示。

6 結論

    本文針對目前海洋環境在線監測儀器設備存在的監控區域有限和實時性通信限制等問題，利用控制技術、傳感器技術和通信技術，設計了基于銥星通信的海洋環境在線監測浮標，擴大了海洋環境在線監測儀器設備的監控范圍。實驗表明，浮標實現了對相關海域海洋輻射總劑量等海洋環境參數的實時監測，通信狀態穩定，數據接收率高，達到了低功耗實時傳輸海洋環境監測數據的設計目標。

參考文獻

[1] 陳琛，劉沖，李志陽，等.ZigBee技術在核輻射環境監測中的應用[J].電子技術，2014(2)：12-14.

[2] ALI R A，GARRETT S L，SMITH J A，et al.Thermoacoustic thermometry for nuclear reactor monitoring[J].Instrumentation & Measurement Magazine，IEEE，2013，16(3)：18-25.

[3] 王宗，劉敬彪，蔡文郁.基于STM32的海洋浮標無線通信網絡設計[J].電子技術應用，2011，37(7)：42-44.

[4] DAHAL U D，PETERSEN B R，MENG J.Iridium communication system for data telemetry of renewable distributed generation system[C].Communications，2008 24th Biennial Symposium on，Kingston，ON：IEEE，2008：262-265.

[5] 劉培軍，張秉豪.銥星SBD數傳電臺在特殊區域的應用[J].全球定位系統，2009，34(2)：36-40.

[6] DAHAL U D，PETERSEN B R，MENG J.A smart microcontroller-based iridium satellite-communication architecture for a remote renewable energy source[J].Power Delivery，IEEE Transactions on，2009，24(4)：1869-1875.

[7] 劉敬彪，翁杰，于海濱，等.浮標電子與通信系統研制[J].電子器件，2010，33(1)：49-52.

[8] 明鵬，徐皓.應用單片機實現點對點數據通信[J].艦船電子工程，2008，28(3)：154-156.

[9] 黃瑞.銥星通信在水污染實時監測中的應用[J].現代電子技術，2011，34(7)：52-54.