长江口海洋环境无线监测主干网设计研究

2018-07-10田华，韩杰，王建，颜康，韩非

数字通信世界 2018年6期

田华，韩杰，王建，颜康，韩非

（1.上海市水文总站，上海 200232；2.上海无线电设备研究所，上海 200438；3.上海目标识别与环境感知工程技术研究中心，上海 200438；4.上海神添实业有限公司，上海 200438）

1 引言

目前，国内高端海洋环境监测仪器设备很大一部分主要依靠进口，国产仪器设备占有的份额偏低[1]。我国海洋仪器设备大部分样机研发成功后，没有经过完整全面的现场测试，导致可靠性、精度、稳定性和环境适应性等方面存在较多问题，大量功能样机没有实现产品定型[2]。海洋仪器使用环境恶劣，监测对象复杂多变[3]，现场试验是设计定型的基本条件。因此海洋环境智能监测网链路的构建和测试很有必要[4]。

观测仪器设备的抗生物附着和抗腐蚀性能最直观的方式为通过视频[5]，这需要宽带通信作为基础。近海海域可能的通信方式有3G/4G、卫星、光缆、微波等。考虑到铺设有线电缆[5]、建设移动通信基站或通过卫星传输视频在经济性和可实施性方面存在的问题，岸站平台与监测站点间采用微波通信。由于长江口海岸线曲折，岸基微波基站不能完全覆盖所有区域，浮标系统灵活、高效、自身干扰小[6]。因此在监测站点附近布置浮标，浮标与监测站点之间采用基于TCP/IP的网络通信。这样浮标采集的信息由基于TCP/IP的网络系统传输到监测站点，再由监测站点通过微波通信系统传输到岸站平台。图1为视频通信系统总体框架。

图1 视频通信系统总体框架

基于TCP/IP的网络系统中，数据由控制器写入等一系列过程传输到监测站点。微波通信系统中，监测站点设备中的各种测量参数和视频信息，经过数据线用宽带Mesh电台进行调制，然后通过微波天线发送[7]。岸站平台微波天线的接收端接收信号，通过宽带Mesh电台对信号进行解调，送到PC机的上位机数据接收平台。

微波通信具有特点如下：受气象变化的影响小，传播特性比较稳定；可利用的波段较宽，能够容纳较多的通信波道，同时载波频率较高，相同的相对带宽下，其绝对频带宽度较宽，在一条通信波道中可以传输多路信号；微波天线的方向性非常强，可以显著节省发射机功率，提高接收机灵敏度[8-9]。基于TCP/IP的浮标通信系统，以较小的软件开销实现了高效率的网络连接，大大提高了测量平台的网络化水平。

2 无线通信系统的构建

综合考虑传输稳定性、传输容量要求、抗干扰能力、可实施性等诸因素，采用5.8GHz数字微波通信系统，实现两地间的无线高速数据传输。

2.1 原理

宽带Mesh电台有发信机和收信机两部分组成，如图2所示。通过宽带Mesh电台的调制机将信号调制成中频信号，再经发信机的中频放大器放大后，送到发信混频器，经发信混频，将中频已调信号变为微波已调信号。由单向器和滤波器取出混频后的一个边带（上边带或下边带），由功率放大器把微波已调信号放大到额定电平，经分路滤波器送往天线。收信系统由宽带Mesh电台内的收信设备和解调设备组成，分别来自上天线和下天线的直射波和经过各种途径（多径传播）到达接收点的电波，经过两个相同的信道，带通滤波器、噪声放大器、抑镜滤波器、收信混频器、前置中放然后进行合成，再经主中频放大器后输出中频已调信号。

图2 宽带Mesh电台的收发系统结构

2.2 附属系统设计

2.2.1 站点供电设计

岸站平台已经接通市电，所以采用交流220V电源供电。监测站点位于海上，无法提供市电，经济可行的方法是采用太阳能供电系统，并配备大容量蓄电池。太阳能供电系统由太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池等部分组成。光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池进行充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。系统配置功率为：150W的太阳能电池板4块、额定容量12V200AH的蓄电池8块及一台输入24V30A，输出DC12V控制器组成。

2.2.2 天线的设计

为了适应该系统远距离的传输，我们设计了标准平板天线，5.8GHz专用，该天线经过优化设计，驻波性能好，增益高；前后比大，保证在系统中对相邻频道和同频道干扰实现有效隔离。天线辐射单元与馈电网络得到接地反射板良好的屏蔽保护，有效地防止了雷击损害。抗风化防紫外线老化的天线罩保护天线辐射元和馈电网络，使之免受冰冻、盐雾和酸雨的破坏。天线结构牢靠，具有很好的防振动冲击和防水防腐能力。

图3 天线实物图

表1 天线规格参数表

2.2.3 防雷设计

海域夏季有雷雨天气，为保证供电系统安全，采取了多种防雷手段，包括：直击雷防护、雷电感应及雷击电磁脉冲防护、接地网络[10-11]。由于微波天线架设在露天制高点，在信号线进入功率放大器之前加装电涌防护设备，同时在信号线进入通信终端前，再次加装通信线电涌防护设备。

（1）通信塔防雷：在无线发射端顶部架设避雷针以保护天线不受直接雷击，避雷针通过独立的引下线直接接入地网。监测站设备的防雷：监测站的设备电磁干扰防护和雷电波侵入防护。在供电、信号传输、无线通信等各模块加装过载、限流、防电磁冲击等保护装置，同时与设备外壳做可靠性接地连接，最大限度保护设备安全。

（2）传输线路的防雷：传输线采用埋地敷设方式，采用带屏蔽层的线缆，在入户端将电缆金属外皮同防雷接地装置相连。

图4 设备安装图

3 系统现场测试

信息页面显示点对点设备的基本信息及状态。其页面包含三个子项：系统、以太网及无线。系统部分显示设备的基本信息，无线部分显示主要无线设置，以太网部分显示设备的网络特性及连接状态。页面的信息可以通过点击“刷新”进行更新。

图5 维护界面信息图

统计页面显示了点对点连接状况的详细统计信息，统计页面分成网络统计及W-Jet统计两个部分，网络统计包含以太网及无线接口的详细统计信息：

图6 维护界面统计图

图表页面以形象的图表来显示设备统计信息，进行设备监控。选择所需的统计信息（RSSI，流量，RX/TX错误，内存，CPU负载或频率变化），将显示相关的图表。图表的统计信息将按照每小时，每天，每周，或者每年的格式显示。默认设置是每小时制。可通过选项显示系统设置的当前时间将图表上的时间标记转换成管理员电脑上的当前日期。信号强度图表显示在选择时间段内，本地及远程点对点设备的RSSI（接收信号强度指示）变化。

流量图表显示输入及输出的流量统计数据。

4 结束语

TCP/IP协议在海洋测站中的应用极大地增强了网络的稳定性及可扩展性。本文所构建的微波通信系统为海上无人值守化运作提供了技术支撑，能够宽带视频通信，为近海海上仪器设备检测特别是生物附着和腐蚀的实时监控提供了有效的实现方法。解决数据的远距离传输、节电、维护难等难题，实现了海洋远距离、高速率的通信业务。■