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．１

Ｆｅｂ．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

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．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

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