0 引言

21世纪被认为是“海洋的世纪”[1]，人类对海洋的开发随着海洋科学技术的发展，规模越来越大，海域活动愈加平凡，海洋环境愈加复杂[2]，因此，海域环境监测技术变得越来越重要，而环境监测浮标是监测的重要手段之一。

卫星监测法可观测采样绝大部分海域基础特征，如光学特征、海表温度、叶绿素浓度等[3]，但由于测量范围巨大，测量距离过远，导致各项数据不能即时更新、不能同步更新，且部分数据误差较大；而人工点采样法则存在工作量大、远海浮标回收不及时等问题。因此这两种监测方法的配合可能导致无法正确预判突发海洋灾难，造成巨大损失。

国内外学者针对监测浮标的改进作出不断尝试。文献[4]针对海洋水质监测提出基于无线GSM/GPRS的系统总体架构；文献[5]采用WIFI天线和网桥用于和上位机通信；文献[6]针对珠江口水质监测浮标研发一套水质监测浮标数据采集和接收系统，依旧采用GPRS无线通讯和CDMA无线通信两种方式。由于有线、GSM/CDMA等常规通信方式无法满足稳定通信要求，考虑到自主性与安全性的问题，本文将卫星通信作为海域环境监测浮标的主要通信方式，设计一种适用于海域环境监测浮标的定位通信装置。该装置利用太阳能供能；数据采集部分采用目前已有的多种海水常规测试传感器；利用卫星定位通信模块实时传输浮标位置以及海域环境信息；开发配套上位机软件，在地面接收设备中进行解码计算，得到各浮标所处位置的时间和观测信息。基于该装置设计，能有力解决目前无线通信不稳定、受影响大的情况，有效减轻监测人员负担，加快海域环境观测信息更新频率，配合卫星监测法，可显著提升监测效率、有效预防突发性海洋灾难。

1 总体设计

该定位通信装置的主要工作：与浮标中的海水常规测试模块配合，实时采集海水常规测量模块的数据并综合处理，一方面以无线通信方式将数据发送至地面接收端进行解析，另一方面通过存储芯片进行数据备份，以防止无线通信失误造成的数据遗失，且为了明确数据发送的时间和防止浮标因锚生锈老化断裂后偏离原位置，本次设计加入了卫星定位和授时设计。

海域环境监测浮标由于所处地理位置特殊，主要体现在：海平面无遮挡物，光照充足；远海海域无通信基站覆盖；工作环境潮湿，易腐蚀，且需长时间工作。

针对浮标工作的特殊环境，提出利用北斗卫星导航系统所特有的北斗短报文[7]作为无线通信手段，而为了解决海上浮标供能问题，引入可再生绿色太阳能供电模块作为系统长期供能来源，同时，由于工作环境的特殊性，系统的防水性需要着重考虑。海域环境立体监测系统总体结构如图1所示。

图1 海域环境立体监测系统总体结构

2 硬件设计

该海域环境监测浮标系统内部硬件结构如图2所示，主要包括电源管理模块、主控模块、DSP解算模块、卫星定位通信模块、海水常规测量模块和存储备份模块。其中，定位通信装置设计在硬件上，主要与4个模块直接相关：主控模块、卫星定位通信模块、存储备份模块和电源管理模块。该硬件设计在满足定位精度要求和通信成功率的前提下尽可能遵循了电路简单、稳定可靠、功耗低、体积小、成本低的原则。

图2 海域环境监测浮标硬件组成部分

2.1 主控模块

主控模块，需对整个浮标定位通信装置进行控制，包括数据采集、存储、以及北斗短报文的发送，这一系列工作均需要主控模块来控制。由于FPGA具有独特的并行工作模式，且与单片机等控制芯片相比，工作更稳定，性能更可靠，可实现多路数据同时采集，因而近年在各行各业应用广泛[8]，因此，为确保海域环境监测浮标可长时间稳定工作，此系统主控模块选用FPGA作为主控模块的核心控制单元。

为减少系统功耗，缩小系统体积，所选FPGA芯片应具备低功耗，小体积的特点。此系统选用Spartan-Ⅵ系列的XC6SLX9芯片，此芯片尺寸为20 mm×20 mm×1.45 mm，具有9 152个逻辑单元，11 440个寄存器，576kb的块RAM(Block RAM)，最大可提供200个I/O口[9]，可完全满足系统要求，且价格便宜，功耗低，体积小，是目前性价比较高的一款FPGA芯片[10]。其程序配置芯片为XCF04S，外置晶振选用25 MHz有源晶振。

2.2 卫星定位通信模块

针对海面工作特点，利用北斗导航系统不依赖周围网络覆盖的能力，来设计海域环境检测浮标通信装置的卫星定位通信模块。结合本次设计需求，从RDSS(radio determination satellite service)的通信成功率和发射功率、RNSS(radio navigation satellite service)的定位精度和定位需时、模块的体积、外形、质量、工作电压、待机功耗、接口特性、工作环境指标等多方面综合考虑，采用BDM910高集成模块作为本次卫星导航通信模块。该模块外形尺寸为58.3 mm×54 mm×12 mm，质量≤75 g，工作温度为-20～+85 ℃，发射功率≥40 dBm，待机功耗低，能够在湿度≤95%的环境下长期工作，工作可靠性高，且该模块采用BDS+GPS双模定位的定位模式，可在星数不多时增强定位可靠性。卫星定位模块外设电路原理图如图3所示。

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