基于卫星通信的海洋气象数据采集系统设计_谭鉴荣

第４１卷第１期２０１３年２月气　象　科　技ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４１，Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２０１３基于卫星通信的海洋气象数据采集系统设计谭鉴荣１　吕雪芹１　郎东梅２　陆土金３（１广东省气象局，广州５１００８０；２中国气象局气象探测中心，北京１０００８１；３海南省气象局，海口５７０２０３）摘要　根据我国海洋综合气象监测装备建设网点不继扩大和加密的现状，依靠现有的卫星通信网络，利用其覆盖范围广、通信稳定、实时在线和维持经费等优势，设计一种基于卫星通信网络的海洋气象数据采集系统。

介绍该系统的数据采集结构和功能，智能处理终端的硬件组成，硬件电路芯片选型与使用；介绍系统软件的控制和编制方法，简述在可视化编程语言Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｓｔｕｄｉｏ　６．０集成包环境下开发海洋气象数据采集系统软件的步骤；讨论基于我国北斗卫星通信网络的海洋气象数据采集系统的实际应用情况。

关键词　卫星通信　气象数据　采集系统　单片机ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ气象科技作者简介：谭鉴荣，男，１９７１年生，高级工程师，从事综合气象观测工作，Ｅｍａｉｌ：ｔａｎｊｒ＿ｄｅ＠１２６．ｃｏｍ收稿日期：２０１１年１０月１２日；定稿日期：２０１２年４月５日引言按照中国气象局南海海洋气象业务发展专项规划的要求，为加强海洋气象监测预警、预测预报和气象服务工作，我国沿海各省气象部门正逐步加大海洋气象观测装备建设。

目前已初步形成石油平台自动气象站观测网，海洋浮标气象观测站网，海上船舶自动气象站观测网和海岛自动气象站观测网。

这些站网观测装备远离岸边，大部分观测设备距海岸１００ｋｍ以外，特别是石油平台自动气象站，都是在２００ｋｍ外的海洋上。

这些气象设备的实时观测气象数据不再能够通过传统通信方式（有线电话、ＶＨＦ／ＵＨＦ、宽带网络、ＧＰＲＳ）及时传回到岸上气象信息处理中心，在数据传送通信手段上提出了新的要求。

目前只有卫星通信才能够覆盖海洋每个角落，不受地域和时间的限制，提供了解决当前任意海面上数据通信的难题，实现了气象数据交换向通信方式匮乏的海洋区域扩展，从而解决海洋气象数据通信的最后一公里问题。

针对这些情况，本海洋气象数据采集系统综合利用了微电子控制技术、卫星通信、计算机和宽带网络技术，能有效解决上述问题，实现海洋观测数据实时收集，为气象监测预警和预测预警提供科学的数据。

本文设计的系统具有实时在线，数据采集灵活、传送快捷，管理数字化和运行成本低等特点，在宽广海域条件和常规通信难以实现气象观测数据收集的情况下，方便实现实时气象数据采集和处理。

１　海洋气象数据采集系统的组成和功能该系统主要由数据采集传输终端设备，卫星通信传输网络和气象数据管理中心３部分组成，其系统结构框图如图１所示［１－３］。

图１　海洋气象数据采集系统结构框图（ＤＴＵ：Ｄａｔａ　Ｔｒａｎｓｌａｔｅ　Ｕｎｉｔ，数据处理单元）１．１　数据采集传输终端设备功能分析数据采集传输终端设备包括智能处理终端、气象设备和卫星通信ＤＴＵ模块。

智能处理终端主要包括发送数据单元、接收数据单元、数据分析处理单元和数据存储单元。

发送单元实时转发采集的气象观测数据、设备状态数据和定时心跳握手信息；数据接收单元功能是实时接收多种自动气象探测设备的实时测量气象数据、正点时次气象观测数据和气象设备状态数据等；数据存储单位可临时存储气象数据、可按气象观测要求保存多种定时节目表；数据分析处理单元实时分析预设节目内容，确保智能处理终端按预设的定时节目表规定自动运行。

海洋自动气象设备必须通过中国气象局的考核认证，获得中国气象局颁发的《气象装备使用许可证》的专用气象探测设备（如海洋气象浮标站、石油平台气象观测站、船舶气象站和海岛自动气象站等），该海洋气象设备能自动实现海面上风向、风速、温度、湿度、气压、雨量等气象要素的自动监测，海平面以下海流、海浪、海温等参数的自动测量，完成海洋气象观测数据的自动采集和处理。

该探测设备还具有标准的ＲＳ２３２串行通信接口，方便与智能处理终端的对接和实现数据交换。

１．２　卫星通信设备（网络）功能分析卫星通信指挥机和卫星通信用户机可以直接在市场上专业卫星通信公司方便购买得到。

卫星通信指挥机与其他设备之间通过标准的ＲＳ２３２串口协议进行数据交换，该通信指挥机既可以平放置在工作台面上工作，也可以安装在标准的１９英寸（４８．２６ｃｍ）机架上工作。

卫星通信指挥机可以监测、接收到它下属的所有卫星通信用户机的运行状态、发送数据，而不需要发送数据；同时，卫星通信指挥机可以只发送一条指令，就可以控制到它所有的下属通信用户机，也可以个别用户机单独进行控制；正是由于卫星通信指挥机具备的监收和通播特殊功能，使其成为海洋气象数据采集系统设计中的关键设备。

卫星通信用户机内置ＤＴＵ（Ｄａｔａ　ＴｒａｎｓｌａｔｅＵｎｉｔ）模块，可设置和修改卫星通信参数，该用户机按照预先设定参数自动上网，按卫星通用协议先将智能处理终端输出海洋气象数据进行分包处理，然后再通过卫星通信系统将海洋气象数据传送到卫星通信指挥机；另外，该用户机还内置看门狗，具有上电复位等功能。

ＲＳ２３２传送的报文数据结构设计为可扩展格式，便于增加观测要素或者减少观测内容，易于灵活扩展观测装备配置。

报文包括：报文头，观测要素标识符１，观测内容长度１，观测数据１，观测要素标识符２，观测内容长度２，观测数据２，……，校验码，结束符。

１．３　气象数据管理中心功能分析海洋气象数据采集处理完成后，先通过标准串行ＲＳ２３２口传送到卫星通信用户机（ＤＴＵ），再通过卫星通信网络传送，海洋气象观测数据到达地面卫星通信指挥机（ＭＯＤＥＭ），经卫星通信指挥机按既定的协议解包后传到气象数据管理中心的计算机，按气象观测数据规范进行气象观测数据的运算、统计、综合分析、存储和显示，后台再进行各种气象数据报表的编写、审核、存档、统计、查询和打印。

另外，智能处理终端可以实时和定时向气象数据管理中心发送各种海洋自动气象设备采集到的气象数据和设备运行状态数据；气象管理人员也可以通过卫星通信网络将“数据采集指令”送达海洋自动气象设备，采集当前海洋气象设备测量到的实时气象数据或查询海洋气象设备的运行状态；智能处理终端同时监测和分析各种海洋气象设备的运行状况，形成分析报告定时向气象数据管理中心发送，气象管理人员通过气象设备分析报告，及时发现海洋气象设备运行异常情况，可开展远程技术维护，通过维护指令及时排除部分隐故障，该终端支持远程复位操作，必要情况下可重新复位海洋气象观测设备。

２　智能处理终端设计智能处理终端是整个海洋气象数据采集系统中最关键的硬件设备，用于实现海洋自动气象观测数据的接收、处理、存储和上传，设置预定节目表参数，实现气象设备状态监控，故障报警和复位海洋气象设备等功能。

智能处理终端结构框图［４］如图２所示。

２．１　终端硬件电路设计根据该终端的功能要求，最少设计两个标准串行通信口，电平信号符合计算机通用ＲＳ２３２串行通信接口信号要求，设计具有３２Ｋ字节程序和６４Ｋ字节数据存储空间，能自动获得当前时间信息，设计内置看门狗，监测到终端出现死机、上电、掉电和电压过低等情况，能使终端自动复位、重新自动运行。

２．１．１　终端中央控制单元智能处理终端要实现自动化运行，需要依赖中央处理器ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｅｒ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｕｎｉｔ），即单片机进行自动化控制。

根据终端的功能需求，本文单片机设计选用ＤＡＬＬＡＳ公司ＣＭＯＳ低功耗、８位并行２５气 象 科 技 第４１卷图２　智能处理终端结构框图数据口的微处理器ＤＳ８０Ｃ３２３芯片。

该芯片引脚封装和功能与５１系列单片机兼容，具有３个１６位定时计数器，４个８位输入／输出接口，２５６Ｂ内部数据存储单元；１６位地址线可直接寻址６４ＫＢ外部数据存储器（ＲＡＭ），外部程序存储器（ＲＯＭ）容量最大可选用６４ＫＢ；该芯片专有两个串行通信接口，但接口电平为１—＋５Ｖ，０—ＧＮＤ；芯片内置看门狗，若监测到程序溢出或者电压过低等，在规定时间内产生复位脉冲；是一种性能价格比较高的单片机微处理器。

当智能处理终端运行出现上电、电压过低、掉电和死机等情况，该微处理器内置的看门狗就会产生一触发脉冲复位智能处理终端。

单片机其中一个串行接口（ＵＡＲＴ１）通过电平转换单元后连接到卫星通信用户机，上传海洋气象数据、海洋观测设备的运行状态数据，接收气象数据管理中心发送的操作指令，另外一个串行接口（ＵＡＲＴ２）通过电平转换单元后接到海洋气象观测设备或智能气象传感器，接收观测设备的监测数据、运行状态信息，转发气象数据管理中心下达的操作指令。

２．１．２　终端程序存储单元本文选用的单片机没有内置程序存储器，需要另外选用程序存储芯片。

程序存储芯片按擦除方式分光擦除和电擦除两种，其中光擦除存储芯片有一个窗口，可以通过紫外线擦除器擦除ＥＰＲＯＭ中的程序，用编程工具把新的程序代码写入ＥＰＲＯＭ，且可以反复擦除和写入，但是每次擦除必须进行紫外线照射３０ｍｉｎ后才能完成；另一种电擦除存储芯片没有窗口，不需要光擦除，用户随时可以用编程器对芯片中的ＥＥＰＲＯＭ存储器快速整体擦除和逐个字节写入，这种存储芯片价格也低、使用方便，是目前最流行的程序存储芯片。

本文选用华邦电子公司生产的电擦除类型Ｗ２７Ｃ５１２存储芯片［５］，容量为５１２ｋｂｉｔ，也就是６５５３６×８ｂｉｔ，工作电源为＋５Ｖ电源供电，硬件具有８位并行数据接口，１６位地址接口，一个片选接口和程序使能接口。

正好乎合８０Ｃ３２３单片机对外８位数据线和１６位地址线的接口要求。

２．１．３　终端数据存储单元本文选用的单片机只有２５６个内置数据存储器，需要扩展外部数据存储器，满足终端运行和数据存储的需求。

按记忆分类，数据存储器可分为非永久记忆和永久记忆两种，非永久记忆的存储器，断电后信息即消失的存储器；永久记忆性存储器，断电后仍能保存信息的存储器，永久记忆存储器在长期断电的情况下，存储的数据保存期不小于１０年。

本文选用美国ＤＡＬＬＡＳ公司生产的ＤＳ１６４４数据存储芯片［５］，该存储器具有８位并行数据出入／出口和１５位地址接口，容量为３２ＫＢ。

ＤＳ１６４４数据存储芯片内置电池，在正常断电情况下数据保存期不小于１０年，属于永久记忆的数据存储器芯片。

另外该且芯片内置实时时钟，能为智能处理终端提供实时时间、日期和星期信息，所以在硬件电路设计，不需要另外设计时钟电路单元。

２．１．４　终端地址锁存单元单片机８０Ｃ３２３受引脚数据的有限制，数据接口和地址接口（低８位）共同使用Ｐ０（Ｐ０．０～Ｐ０．７）输入／输出接口，Ｐ０口作为数据口使用时，可以直接连接到其他芯片的数据口上；Ｐ０口作为地址口使用时，必须先将Ｐ０口接入地址锁存器输入接口，地址锁存器输出口再连接到其他芯片的地址接口上，单片机的ＡＬＥ接口就是地址信息输出的控制线，ＡＬＥ输出高电平信号时，Ｐ０口就输出低８位地址（Ａ０～Ａ７）信号，通过地址锁存器，送到要寻址的芯片低８位接口，实现地址信息传送。