海上观测平台数据传输标准化技术研究

张建涛，韩家新

（国家海洋技术中心，天津300112）

海上观测平台数据传输标准化技术研究

张建涛，韩家新

（国家海洋技术中心，天津300112）

数据传输网是海洋环境保障体系的重要组成部分，是连接立体观测系统、预报警报系统和信息综合处理系统以及用户之间的纽带和桥梁。重点研究分析了我国海上观测平台数据传输技术应用现状及存在的问题，提出了观测平台在执行统一的技术标准（正在制订中）前提下使用不同的通信设备时无需改变已有通信软硬件的技术方案。

海洋观测数据传输；数据传输标准化；中间解释层

我国拥有漫长的大陆岸线和岛屿岸线，沿海地区是我国经济发达地区，聚集了全国60%以上的经济总量和40%以上的人口。我国是世界上海洋灾害最频发、破坏程度最严重的国家之一，每年发生的各类海洋灾害对沿海经济和社会发展造成了巨大的损失，对人民生命财产安全造成了严重的威胁[1]。为合理开发海洋资源、保护海洋环境、减轻海洋灾害，利用先进的科学技术和手段，及时获取、处理和分析海洋环境信息数据，建立和完善海洋观测体系，是一项完全必要而十分紧迫的任务[2]。数据传输网是海洋观测体系的重要组成部分，是连接立体观测系统、预报警报系统和信息综合处理系统以及用户之间的纽带和桥梁。本文重点研究分析了我国海上观测平台数据传输技术应用现状及存在的问题，提出了观测平台在执行统一的技术标准（正在制订中）前提下使用不同的通信设备时无需改变已有通信软硬件的技术方案，并给出了实验验证结果。

1 海上观测平台数据传输技术应用现状及存在的问题

我国海洋环境保障体系已经历了50多a的发展历程，至今已初步形成了以地面专线、卫星通信、CDMA/GPRS等为主要通信手段的数据传输网[3]。目前，我国在海上布放使用的圆盘型锚系浮标、实时传输潜标主要采用海事卫星C站和“北斗”卫星通信终端传输观测数据，自持式剖面循环探测漂流浮标（ARGO浮标）和表面漂流浮标采用Argos卫星通信模块和“北斗”卫星通信终端传输观测数据；志愿船测报系统采用海事卫星C站（远海志愿船）和CDMA/GPRS（近海志愿船）传输观测数据；远离大陆的海岛站和平台站采用VSAT小站或海事卫星C站传输观测数据（见图1）。

图1 海洋观测数据传输网示意图

随着国家对海洋战略地位的高度重视、海洋观测业务能力建设的不断加强以及海洋科学技术的进步，我国海洋观测将由近海向深远海延伸，多种观测平台特别是海上观测平台将被大量使用，在执行统一的技术标准前提下，使用更新通信设备时，数据传输存在的多样性问题依然突出，主要体现在：

（1）通信协议多样性。现有的海上观测平台可以使用的通信设备多种多样，而每种通信设备采用的通信指令格式各不相同。要使用某一种通信设备，必须按照其所提供的通信指令格式，开发专用的控制程序，对数据进行分包、封装发送。一旦通信设备发生改变，或者通信系统进行升级换代，之前的专用控制程序可能不再兼容，需要重新开发。

（2）数据传输格式多样性。现有海上观测平台采用的数据传输格式也不尽相同。当接收终端要对数据进行接收处理时，必须为不同的观测平台开发专用的数据接收处理程序。随着时间的推移，各观测平台的功能不断完善，之前开发的专用程序可能不再兼容，需要不断更新。

（3）接口多样性。现有海上观测平台常采用多种类型的通信设备，而每种通信设备提供的物理接口也可能不同。必须针对每一个通信设备提供专有的物理接口，而每种物理接口又不能通用。随着硬件设备的不断升级或者新的硬件设备的加入，之前的物理接口可能不再兼容，需要重新设计硬件体系。

如此反复的开发设计工作，不但造成了资源和时间的浪费，而且给海洋观测数据传输网的建设与发展带来了一定的阻碍。

2 海上观测平台数据传输标准化技术研究方案

为有效解决海上观测平台数据传输存在的通信协议多样性、数据格式多样性和接口多样性等问题，其解决方案是，在观测平台与通信设备之间增加一个通信控制模块 （如图2）作为中间解释层，对通信协议、数据格式、物理接口采取标准化处理并进行相应的转换，实现观测平台与通信设备之间的物理接口、传输协议、指令格式、数据格式相互兼容。同时，在接收终端与通信设备之间增加一个接口转换模块，实现物理接口转换，并把通信协议转换部分以软件的形式在接收终端上实现。

图2 海洋观测数据传输体系架构图

中间解释层（通信控制模块）的作用和特点体现在两个方面：一是提供RS-485、RS-232、USB等接口，在观测平台与通信设备自身硬件基本不变的情况下，实现物理接口的转换；二是提供进行通信协议转换处理，在不改变观测平台通信协议和通信设备的通信协议的情况下，实现标准协议与通信设备提供的协议之间的转换。

3 中间解释层技术设计

中间解释层包括物理层和协议层两部分，物理层的功能是实现物理接口的转换，协议层的功能是实现通信协议的转换。其设计原则为：

（1）在保证功能前提下，尽量少的使用外部器件，以降低功耗、提高系统稳定性。

（2）具有两路以上的UART，便于扩展使用，一路用于接观测平台，另一路用于接通信设备。

（3）由于需要兼容多种通信协议，应具有较大的程序存储空间，并为以后扩展留有余地。

3.1 硬件设计

包括通信控制模块和接口转换模块两部分。

通信控制模块的硬件主要包括CPU、电源、扩展存储器、JTAG接口、2路 UART、TTL转 RS-232/RS-485/USB接口电路等。图3为通信控制模块的硬件结构图。

（1）通信控制模块以Silicon的C8051F020单片机为核心，辅以外围接口转换芯片构成了通信控制模块的整体。

（2）配置一片128KB外部扩展存储器，保证系统的正常运行，并有一定的扩展空间。

（3）CPU外部电路设置自恢复和工作电压监控功能，以保证CPU稳定工作。

（4）接口转换器件工作电压为3.3 V或者5 V，以降低功耗。

图3 通信控制模块硬件结构图

接口转换模块的硬件主要包括USB接口电路、RS-232接口电路、RS-485接口电路、232/485/USB转换开关、电源变换电路等。图4是接口转换模块的结构图。

（1） 接口转换模块是由 RS-232、RS-485、USB 三种接口转换芯片为主体，构成了模块的整体。

（2）模块应具有内部电源转换功能，在不需要单独的外部电源供电的情况下，能正常工作。

（3）接口芯片的选择，工作电压应为3.3 V，并且功耗应尽量小，以满足不需要独立外部电源情况下的功耗要求。

图4 接口转换模块硬件结构图

3.2 软件设计

软件系统部分的功能主要有：对标准传输协议的支持，实现标准传输协议到设备通信协议的转换，兼容多种通信设备的通信协议等。通信控制模块软件采用Silicon公司提供的集成开发环境（IDE）进行开发。接收终端软件使用微软公司的软件开发工具Microsoft Visual Basic 6.0来进行设计。图5为发送端的工作流程，包括数据采集、数据发送和响应信息分析三部分。其中，响应信息又包括系统响应信息和通信响应信息两类（如图6所示），系统响应信息用于中间解释层向观测平台以及接收终端向中间解释层反馈指令执行情况，它具有一个参数，表示指令是否正确接收；通信响应信息是发送端发出数据后，接收端的回应信息，它不具有参数，只是表示数据的正确接收。接收端的工作流程见图7，它包括协议转换与数据接收存储两部分。

图5 发送端工作流程

图6 响应信息分析

图7 接收端工作流程

4 基于“北斗”卫星和超短波电台通信的技术验证

为了检验所设计方案的可行性，作者基于“北斗”卫星和超短波电台通信进行了实验验证。

第一步进行的是不使用中间解释层的通信测试实验，实验系统组成框图见图8。首先是基于“北斗”卫星的通信实验。观测平台要采用“北斗”通信终端进行数据传输，必须严格按照“北斗”终端的指令格式开发专用的控制程序对数据进行分包、封装，然后依次发送，并且接收终端也需要按照指令格式开发专用的接收程序，完成数据的接收、处理。同时，硬件体系还要支持“北斗”终端提供的物理接口。然后是基于超短波电台的通信实验。从图8可以看出，它需要将通信设备由“北斗”终端换成超短波电台，但是如果不做其他更改，无法直接进行数据传输。要实现数据传输，观测平台必须按照超短波电台的指令格式重新开发专用的发送程序，接收终端也要重新设计专用的接收程序，这样才能完成数据的发送、接收与处理。对这两个实验分别进行7 d的通信测试，通信周期为15 min，每天发送96条短报文，7 d共发送672条。

第二步是使用中间解释层对通信过程进行控制的通信测试，实验系统组成框图见图9。由图可知，与图8相比，在观测平台与通信设备之间增加了通信控制模块作为中间解释层，在接收终端与通信设备之间增加协议转换程序，完成标准协议和通信设备提供协议之间的转换。首先进行的是基于“北斗”卫星的通信测试，观测平台按照标准协议开发通信控制程序，通信控制模块和协议转换程序完成标准协议和通信设备提供的协议之间的转换。然后进行基于超短波电台的通信测试，在这里直接将通信工具由“北斗”通信终端换成超短波电台，设置通信控制模块和协议转换程序的通信方式为超短波电台，即可实现数据传输，无需更改系统的软硬件设计。同样分别进行7 d的通信测试，通信周期也为15 min，7 d共发送672条与上一个实验完全相同的短报文，实验结果与上一个实验基本一致。

图8 无通信控制的实验系统组成图

图9 具有中间解释层的实验系统组成图

5 结论

从实验结果可以看出，本文提出的数据传输标准化技术研究方案具有以下几个优势：第一，简化了发送端和接收端的软件设计，从而降低了系统的复杂程度，提高了安全可靠性；第二，通过支持多种物理接口，在设计上将软硬件分离开来，实现了通信设备的即插即用。另外，此方案具有良好的通用性和扩展性，应用前景广阔，可用于多种海上观测平台，相信能对我国海洋环境观测网的建设起到推动作用。

[1]赵吉浩，高艳波，朱光文，等.海洋观测技术进展[J].海洋技术，2008，27(4):1-4.

[2]赵进平.发展海洋监测技术的思考与实践[M].北京：海洋出版社，2005.

[3]蔡树群，张文静等.海洋环境观测技术研究进展[J].热带海洋学报，2007，26（3）：76-81.

[4]李颖虹，王凡，任小波.海洋观测能力建设的现状、趋势与对策思考[J].地球科学进展，2010，25（7）：715-722.

[5]北京神州天鸿有限公司.神州天鸿终端通信协议（V2.5 Release）[Z].2007.

[6]李玉成.海洋工程技术进展与对发展我国海洋经济的思考[J].大连理工大学学报，2002，42（I）：1-5.

Research on Standardization Technology of Data Transmission of Marine Observation Platforms

ZHANG Jian-tao,HAN Jia-xin
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Data transmission network is an important part of the marine environmental security system,which is the bridge and link that connects the three-dimensional observation system,forecasting and warning system,information integrated processing system and users.The present application and existing problems of Chinese marine observation platforms’data transmission technology are emphasized.The technical schemes of the observation platform using different communication equipments without changing the existing hardware and software under the premise of implementing of unified technical standards(being drawn up now)is put forward.

ocean observation data transmission;standardization of data transmission;the middle layer of interpretation

P715

A

1003-2029（2011）02-0041-05

2011-03-15

海洋公益性行业科研专项资助项目（200905031）。