0 引言

    核辐射事故的突发性和扩散性严重威胁到了国家政治、经济和社会安全^[1]。2011年3月11日，发生于日本东北地区宫城县北部的9级地震引发海啸，地震和海啸造成了福岛核电站的重大核泄漏事故，导致大量放射性物质被释放到了周边环境中，致使日本损失巨大^[2]，事故也引起了我国政府和人民的高度关注。

    随着卫星通信技术的发展，越来越多的海洋监测仪器使用卫星通信技术来传输测量数据，目前正在运营的卫星通信系统有Argos系统、北斗卫星导航系统和铱星系统等。

    为研究福岛核事故对西太平洋海洋环境的影响，利用漂流浮标开展了海洋环境γ剂量率的监测和研究，但由于该搭载平台原使用北斗卫星通信系统，监测区域受到北斗卫星通信范围的限制，导致该系统在西太平洋海域不能覆盖。另外，因为海洋环境在线监测浮标采用电池供电，而北斗卫星通信模块发射电流较大(约3 A)，所以功耗较高。如改为Argos卫星通信系统，其监测数据的实时性又受到限制，需在卫星过顶后才能接收监测数据，且需应用三代以后的产品，才能构成双向链路^[3]。

    由分布在6个极地圆轨道面的距地球表面约780 km的66颗低轨卫星组成的铱星系统^[4]，星际链路技术是其最大的特点，它在理论上确保了铱星系统能由一个关口站完成卫星通信接续的整个过程。可全球范围内进行通信是其最大的优势，对于现有通信方式达不到的地方非常适用^[5]，而且通信费用不高，单次传输数据量大，功耗较低，特别适用于本浮标布放的西太平洋海域。

    因此，本文提出设计基于铱星通信的海洋环境在线监测浮标，以满足海洋环境在线监测对范围和数据实时性的要求。

1 海洋环境在线监测浮标总体结构

    海洋环境在线监测浮标投放后，即自动展开进入工作状态开始在线监测，测量海洋辐射总剂量和其他海洋环境参数（温度、盐度、深度等），并监控浮标的工作状态，测量数据通过铱星通信发送至用户应用监控中心。

    该浮标的总体构成如图1所示。主要由监控子系统、铱星通信子系统和用户应用监控中心三部分构成，其中监控子系统的测量控制由传感器、GPS模块、信息采集、信息处理、供电电源和铱星突发短数据(Short Burst Data，SBD)终端模块9602等部分组成。GPS模块安装在浮标内部，以获得海洋环境在线监测浮标的实时位置。传感器采用HD—2005型便携式χ-γ剂量率仪和海水温盐深测量仪等，安装于浮标内部水下位置。信息采集单元实时采集的浮标位置、海洋环境在线监测数据和浮标状态等信息，通过UART传输至信息处理单元，对接收到的信息进行分析、处理和存储。

    然后通过铱星SBD终端模块9602以Email的形式发送至邮箱，用户应用监控中心收取Email获取在线监测数据和GPS定位信息等，监控浮标工作状态，并通过Email反向发送控制命令，设置浮标系统时间，控制浮标的工作时间间隔等。

2 监控子系统设计

2.1 硬件模块设计

2.1.1 供电电源模块

    由于海洋环境在线监测浮标属于机动应急性监测系统，投放前处于非工作状态，而且在工作时也处于间歇工作方式。为了防止电池在处于长期不工作状态时开机出现电压滞后现象，影响系统的正常工作，而且考虑电池的安全性，系统的供电电池采用具有大电流输出能力强、容量大、体积小、安全性高等特点的锂锰电池，通过计算可以验证，电池组能满足浮标工作要求，确保浮标工作正常。

2.1.2 主控制器

    浮标的主控制器采用Silicon Laboratories公司推出的C8051F020。芯片采用Silabs公司的CIP-51内核，兼容标准的MCS-51指令系统，是能独立工作的片上系统。片内具有22个中断源、7个复位源、1个独立运行的时钟发生器、5个通用的16位定时器和2个全双工UART串行接口等丰富资源，能很好地实现传感器数据的获取、分析及处理并完成铱星通信任务。主控制器与铱星SBD终端模块9602通过UART0连接。

2.1.3 GPS模块

    浮标的GPS模块采用达伽马GPS模块SR-87，该模块使用高灵敏度且低功耗的SIRF III芯片组，冷启动时间短，可同时追踪多达20颗卫星，定位精度要优于利用铱星SBD 终端模块9602测得的结果，且导航更新速率快，非常适用于浮标的定位服务和铱星通信任务。GPS模块与主控制器通过串口连接。

2.1.4 海洋辐射剂量传感器模块

    浮标的海洋辐射剂量传感器模块采用HD—2005型便携式χ-γ剂量率仪，由探测器和控制系统两部分组成。探测器包括闪烁体、I-F变换器和光电倍增管；控制系统由电源模块、串口通信模块和单片机数据采集处理模块等组成。具有探测器灵敏度高，能量响应及角响应好，功耗低，体积小，重量轻，锂、干电池两用，能直接给出测量结果，测量精度高等特点。海洋辐射剂量传感器模块与主控制器通过串口连接。

2.1.5 铱星通信模块

    浮标的铱星通信模块采用由铱星公司推出的铱星SBD终端模块9602，是一款定牌生产合作产品(Origin Entrusted Manufacture，OEM)，仅能应用于铱星SBD业务，体积小，其长度、宽度和厚度分别是41 mm、45 mm和13 mm，重量轻(仅为3 g)。采用数据包的形式进行双向实时短数据传输的SBD业务，是铱星公司利用铱星全球网络覆盖等优势提供的突发短数据传输服务，通信成本和费用适中，主要用于区域自动化和远程数据跟踪的应用开发^[6]。针对于本浮标特殊的投放海域，利用铱星SBD实现数据传输是较优的选择。

    铱星SBD终端模块9602的SBD业务通过RS-232C接口实现，波特率默认为19 200 bit/s。该模块每次最多接收270 B数据或发送340 B数据，且无须安装SIM卡，当有数据接收时会发出振铃。该模块平均待机电流为45 mA，铱星SBD数据发送和接收时的平均电流分别为195 mA和45 mA^[7]。用户应用监控中心利用铱星SBD终端模块9602，通过铱星通信网络完成数据发送与接收。

2.2 软件设计

    监控子系统的工作时序如图2所示。

    (1)工作时，主控制板每1小时工作1次，每次工作5 min（整点前3 min，整点后2 min）。

    (2)GPS接收器受调度控制，每次加电后工作2 min（整点前后各1 min）。

    (3)海洋辐射剂量传感器受调度控制，每次加电后工作5 min（整点前3 min，整点后2 min）。

    (4)铱星通信受调度控制，每次加电后工作1 min(整点后1 min)。

3 铱星通信子系统设计

3.1 硬件接口设计

    由于RS-232C标准的逻辑电平与TTL数字电路逻辑电平不兼容，铱星SBD终端模块9602的通信接口在采用RS-232C标准时，硬件电路连接首先要进行通信接口电平转换^[8]。为实现RS-232C电平转换，接口器件采用Maxim公司的MAX3232E芯片，它是一款低功耗、数据传输速率最高可达250 kb/s、拥有2路发送器和2路接收器的电平转换芯片。浮标铱星通信子系统的硬件接口电路如图3所示。

3.2 铱星SBD通信的软件设计

    铱星SBD通信的软件设计核心是对铱星SBD终端模块9602驱动程序的研发，如图4所示，以铱星SBD数据传输主程序流程为例，说明铱星SBD通信的软件实现。该浮标中铱星SBD通信进行单次数据传输是按照图4所示命令步骤完成的。

4 用户应用监控中心功能说明

　　在线监测数据通过Email的方式，在用户应用监控中心与地面铱星SBD关口站数据服务系统之间进行数据传输。铱星SBD关口站数据服务系统接收SBD 数据以后，根据该SBD 数据中的国际移动设备身份证号(International Mobile Equipment Identity，IMEI)，利用铱星通信网络，以Email附件的形式发送相关数据至该IMEI 号绑定的电子邮箱^[9]。用户应用监控中心通过该IMEI 号绑定的电子邮箱，利用铱星通信网络，以Email附件的形式发送命令内容至铱星公司用于接收铱星控制命令的邮箱：data@sbd.iridium.com。如果整个操作过程无异常，会收到来自sbdservice@sbd.iridium.com的回复Email，说明Email发送成功，铱星SBD关口站数据服务系统发送命令至铱星SBD终端模块9602，该模块会发出振铃，向主控制器提示有命令到达。利用铱星SBD终端模块9602进行无线数据的发送与接收，实现了用户应用监控中心与浮标之间的数据双向传输。

5 海上模拟试验结果

    基于铱星通信的海洋环境在线监测浮标搭载调查船，于2014年10月15日12点～2014年10月19日12点在南海进行了海上模拟试验。试验海况为东北风5级，浪高2.5 m。用户应收数据96条，实收96条。随机选取Email附件中部分远海走航实验数据，如表1所示。

6 结论

    本文针对目前海洋环境在线监测仪器设备存在的监控区域有限和实时性通信限制等问题，利用控制技术、传感器技术和通信技术，设计了基于铱星通信的海洋环境在线监测浮标，扩大了海洋环境在线监测仪器设备的监控范围。实验表明，浮标实现了对相关海域海洋辐射总剂量等海洋环境参数的实时监测，通信状态稳定，数据接收率高，达到了低功耗实时传输海洋环境监测数据的设计目标。

参考文献

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