北斗海洋浮标数据接收与控制终端软件

张胜茂，戴 阳，杨胜龙，范秀梅，王 斐

(1 中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部东海渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090；2中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海200090)

海洋浮标一般可携带多种传感器来探测海洋环境参数，是一种重要的海洋观测工具[1-4]。具有全天候、全天时稳定可靠的收集海洋环境资料的能力[5-6]，并能实现数据的自动采集、自动标识和发送[7-9]。海洋浮标种类繁多，主要有锚定类型浮标和漂流类型浮标[10-11]，用途包括气象资料收集、海水水质监测、船舶导航、重要设施标识等[12-15]。近年来，随着声呐设备的小型化，海洋浮标也可携带鱼探仪器辅助海洋捕捞[16-19]。海洋浮标的通信方式多样，主要包括卫星通信、移动网络通信、北斗短报文等[20]。海事卫星、铱星等通信方式快捷但费用高[21-23]，而移动通信网络适合在近海浮标上使用，海洋浮标采集的环境数据多为海洋物理参数，采用北斗短报文方式通信费用低，传输次数限制小，因此适合作为海洋浮标的数据通信方式。

海洋捕捞是人类海洋开发史上最古老的产业之一[24]，因鱼类资源时空变化大[25-26]，快速确定渔场位置在渔业捕捞中尤为重要，寻找渔场手段包括船长经验、人员观测、多船分散探捕等[27]，以及运用卫星遥感技术预报渔场[28-30]。海洋浮标可以携带声呐设备，通过太阳能供电可以长期工作，并且体积小成本低[31]，渔船在作业海域可以布放多个浮标来探测鱼群，成为快速定位渔场有效手段。

本研究利用面向对象的设计方法，采用北斗通信方式实现数据接收与海洋浮标控制。受短消息的数据量限制，传感器数据采用分解包为多帧方式传输，终端软件采用多线程，通过哈希表管理接收数据，队列管理回发的信息和控制命令。渔船上部署海洋浮标数据收发控制的船载终端可直接获取浮标数据，服务于渔场寻找。

1 北斗海洋浮标信息通信

北斗海洋浮标是一种漂浮在海上的浮标终端，利用太阳能电池板供电，通过挂载的多个传感器收集海洋物理参数，如温度、盐度、pH、声呐等。船载终端部署在船上，通过船上的发电设备供电，控制卫星海洋浮标数据的收发。浮标终端和船载终端都装有卫星通信卡，通过通信卫星完成两者之间的数据收发与控制(图1)。浮标终端挂载的传感器分别为传感器1、传感器2、…、传感器n，通过下位机读取海洋物理参数。船载终端由上位机发送控制命令和接收数据，接收的数据保存在数据库中，通过终端能够查询。

2 数据定义

2.1 浮标数据定义

上位机和下位机间的数据类型固定不变，共有11种数据类型，包括无符号整数(8位、16位、32位、64位)、有符号整数(8位、16位、32位、64位)、浮点数(32位、64位)、128位精确的十进制值。浮标终端发送的基本信息固定(表1)，包括浮标卡号(32位无符号整数类型)、时间(32位无符号整数类型)、经度(32位单精度浮点型)、纬度(32位单精度浮点型)、航速(8位无符号整数)、航向(16位无符号整数)。浮标基本信息数据长度为：B=32(浮标卡号)+32(时间)+32(经度)+32(纬度)+8(航速)+16(航向)+16(电压)=168(bit)。

表1 浮标数据基本信息

浮标卡号取值范围0到4 294 967 295，卡号不多于9位；时间为2000年起算的秒数，上位机接收到数据后，在2000年基础上加上秒数来计算时间；经纬度类型都为单精度浮点型，经度范围-180°～180°，纬度范围-90°～90°；航速为8位无符号整数，取值范围为0到255，除以10后范围为0～25.5 m/s；航向为16位无符号整数类型，采用方位角表达，范围为0～259。浮标终端传感器有多个，各传感器位数总和为传感器的数据长度。

(1)

式中：S为各传感器的总位数；ni为第i个传感器的数据个数；ti为ni传感器的数据类型位数，两者乘积为第i个传感器数据的位数。

浮标基本数据和传感器数据合并后向船载终端发送，一般会超过通信卫星一条短消息的长度，因此，将向船载终端发送的完整数据作为一个包，把包划分为多帧，多次发送。船载终端接收到全部帧后，再把帧拼接为包，然后进行解译。

数据包由多个帧组成，每帧有一个头文件(表2)，头文件中包含包编号、帧数、帧序号、传感器i数据个数、传感器i数据类型。包的一组帧的包编号相同，每月开始从1起始编号，编号用该月起始的分钟数，到该月最后一分钟位置，编号范围从1到44 640的值。帧数是包的一组帧的总数，8位有符号整数类型的前4位，帧序号是帧在一组帧的顺序号，8位有符号整数类型后4位，帧数和帧序号组成一个8位无符号整数类型，只有各帧全部接收并且按顺序拼接才能正确解译数据。传感器i数据个数表明该传感器在包中有多少数据，8位有符号整数类型的前4位，传感器i数据类型表明该传感器的数据的类型，8位有符号整数类型后4位，传感器数据个数和数据类型组成一个8位无符号整数类型。包编号、帧数、帧序号在数据包的每个包都存在，传感器i的数据个数、类型和头结束，仅在第一帧包含。帧数据的头文件数据长度为：H=16(包编号)+8(帧)+8(传感器个数n)+n×8=32+n×8。

表2 帧数据的头文件

完整的数据包信息包括头文件、基本数据、传感器数据，因此数据长度计算方法如式(2)。

L=H+B+S

(2)

式中：L为数据包的位数；H为头文件数据的位数；B为基本数据的位数；S为各传感器的总共位数。把H、B、S带入式(2)得到式(3)。

(3)

每个帧都有头文件，假设通信卫星一次传输数据量为N位bit，则一个包需要传输的帧数计算方法如式(4)。

(4)

式中：F为帧数；N为卫星一次传输数据的位数；n为传感器个数；ni为第i个传感器的数据个数；ti为ni传感器的数据类型位数。

2.2 控制命令定义

船载终端通过发送命令控制浮标终端，主要控制命令包括设置传感器、时间同步、时间间隔、立刻返回数据(表3)。设置传感器格式为“n:sensori,num,type;”n是传感器数，sensori是传感器号，num是数据个数，type是数据类型。例如“3:1,3,9;2,1,9;3,5,2”表示3个传感器，1号传感器3个数据，数据类型为32位单精度浮点型；2号传感器有1个数据，数据类型为32位单精度浮点型；3号传感器有5个数据，数据类型为16位无符号整数类型。时间同步格式为“yyyy-MM-dd HH:mm:ss”，表示年月日时分秒。时间间隔为浮标终端发送数据的时间间隔，通过命令设置间隔的分钟数。立刻返回数据为命令浮标终端立即发回数据。

表3 浮标终端的主要控制命令

3 船载终端功能实现

3.1 船载终端软件结构组成

船载终端(图2)定义了主窗体类、串口测试类、命令控制类、数据浏览类，以及后台运行的串口数据接收类、数据回发类、清理回发类、清理包类。实例化的主窗体界面是用户交互界面，主要窗体上有串口测试、命令控制、数据浏览。

串口测试完成端口、波特率、数据位、校验位、停止位的设置，运行测试端口返回可用的端口信息，运行打开串口完成串口开启，再运行数据接收，启动台程序。命令控制在完成浮标号选择、命令名称选择、参数设置后，运行发送命令，实现命令的发送功能。数据浏览在完成浮标卡号选择，时间范围设置，然后运行查询功能，获取对应浮标的数据，运行导出功能可以导出查询到的数据。

3.2 船载终端接收浮标终端数据

浮标终端发回的数据由ReadCom对象完成(图3)，在初始化时首先实例化ReadCom对象，传入的参数有信息回发队列、串口实例和数据包管理表。

回发队列用于暂存接收到的数据包信息，这些信息会向浮标终端回复数据包收到，串口实例用于监听浮标终端发来的数据，数据包管理表用于管理接收的报包数据，如果首次收到包则保存在表中，如果非首次接收则忽略。实例化的ReamCom通过串口监听浮标终端发来的数据，当有数据收后触发Comm_DataReceived事件，首先创建接收的包信息，保存到数据库中，然后处理数据包，读取数据帧，判断数据帧是否接收完整，如果没有接收完整则不做处理，如果数据帧接收完整，则拼接数据包进行解析，解析完成后返回到处理数据包方法，存储包文件，并把信息存储到数据库，最后把解析处理完成的包从数据包管理表中清除。

船载终端接收的数据存储在数据库中，用GetBeidou窗体类实例化对象(图8)，在窗体中设置时间范围、浮标卡号、数据类型等信息，运行SearchGet方法，由实例化的SqliteHelper对象获取数据，然后返回到窗体显示，数据也可以导出。

3.3 船载终端向浮标终端回发数据

首先，把信息回发类(SendBack)实例化为对象(图4)，完成接收包的回发和控制命令的回发。其次，用数据包回发队列暂存所接收包的信息，船载终端向浮标终端发送包信息，通知浮标终端包已经成功接收，浮标终端就不再重发。命令队列暂存控制命令，命令是由BeidouCmm实例化的对象生成，通过船载终端向浮标终端发送命令，控制浮标的工作。

BeidouCmm为生成命令的窗体对象，在选择好命令，设置好参数后，运行命名发送功能，命令首先通过实例化的SQLiteHelper对象报道数据库中，然后经过创建命令、命令编码后，暂存到SendBack实例的回发消息队列中。

数据回发类中定义有时钟实例，设置一定的时间间隔后，时钟定时触发OnTimer事件，查询命令队列中是否有没有发出的命令，如果有则取出命令并向浮标终端发送，发送结束后在队列中删除命令。然后再检查数据包回发队列，如果队列中有未发的数据包消息，则把消息向浮标终端发送，然后在队列中删除该包信息。

3.4 清除数据包与回发信息

船载终端以包的形式接收浮标终端数据，每个包采用编码管理，数据包以编码方式保存在数据包管理表中，数据包各帧都接收到后会被解析保存到数据库，并在包管理表中删除该包；如果数据包中的帧不能全部接收到，则数据包一直保存在包管理表中，随着接收时间延长(1个月以上)积累包增多，占用大量内存，由于包发送一般限制在1 h到1 d内发送完成，如果超过1 d没有收到则该包失效，因此限时1 d对包管理表中超过1 d的包进行清除。

船载终端接收到包后会把回复信息和控制命令信息暂存到回发队列，终端定时自动读取回发队列中的信息，向浮标终端发送，发送完成后从队列中清除该消息。消息发送一般限制在1 min到1 h发送完成，如果发送失败则信息会留在回发队列中，随着接收时间延长(1个月以上)积累包增多，占用内存，因此限时1 d对队列中超过1 d的消息进行清除。

船载终端同时控制和接收多个浮标终端，因此在时间较长的情况下(1个月以上)，包管理表中出现的无效数据包，以及回发队列中的无效包回发信息、命令控制信息会更多，因此采用清除包和回发信息非常重要。包清除类(图5a)、回发信息和控制命令类(图5b)完成清除，实例化的包清除对象在指定时间触发OnTimeClearBaoEvent事件清除数据包管理表的无效信息，处理过程保存在日志中。实例化的回发清除对象在指定时间触发OnTimeClearSendBackEvent事件清除包信息回发队列和命令发送队列的无效信息，处理过程保存在日志中。

3.5 浮标数据收发验证

海洋浮标数据接收与控制终端软件部署在戴尔Latitude E6500测试机上，通过测试机连接串口接收数据。2020年6月3日到6月9日，进行5组数据收发试验。单帧数据以1包1帧方式发送，累计发送186条，成功176条，成功率94.6%，各组接收成功率都在90%以上；多帧数据以1包3帧的方式发送，累计发送95条，成功接收到86条，成功率90.5%，除第5组接收成功率较低外，其他各组成功率都在90%以上。浮标控制命令以多次发送直到浮标端确认收到为止的形式执行程序，保证命令发送成功，共测试了74条控制命令浮标端都能成功接收。

表4 浮标数据接收测试

4 结论

北斗卫星导航系统是中国自主研制的全球卫星定位与通信系统，已经完成全球组网，可在全球范围内全天候、全天时为用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具有短报文通信功能。北斗海洋渔探浮标利用太阳能供电，通过北斗定位与短报文通信，采用面向对象的设计方法，以北斗通信方式实现数据接收与海洋浮标控制。为解决短消息的数据量限制，传感器数据采用分解包为多帧传输。终端软件采用多线程，通过哈希表管理接收数据，队列管理回发的信息和控制命令。浮标有温度、盐度、pH、声呐等多个传感器收集海洋物理参数，可应用于渔场寻找、资源调查等，为渔业生产和科学研究提供服务。

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