CN116755121B - 一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，属于海洋探测技术领域，包括：信标机机体、天线组、传感器组和控制系统；所述天线组包括北斗铱星双模收发天线和GPS/北斗定位一体天线；所述GPS/北斗定位一体天线用于获取GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度，所述控制系统还用于基于GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度选择与信息管理平台的通信模式，并根据所述通信模式利用北斗铱星双模收发天线将数据信息发送给所述信息管理平台，所述通信模式为北斗通信模式或铱星通信模式。本发明采用北斗通信模式或铱星通信模式进行定位信息的发送，提高了海洋信标机定位信息传输的可靠性。

Description

一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机
技术领域
本发明涉及海洋探测技术领域，特别是涉及一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机。
背景技术
信标机是一种装在目标物体（火箭、飞机、船舶等）上能发射电磁信号并与雷达配合工作的电子设备，一般能发送当前时间、自身经纬度、海拔高度等信息的单向信号发射装置。海洋信标机是信标机的一种，主要布放在海洋潜标和其他水下设备上，用于设备浮在水面上时实时定位当前位置，实行对设备的监控和回收。
潜标是深海环境监测的主要设备，通常集成温度、盐度、深度等测量与探测仪器设备，潜标底部配备有重块和浮球。潜标工作时在重块的作用下，可以在水下实现连续、长期、无人值守的连续测量，需要回收时，通过释放器释放重块，依靠浮球的浮力将设备上浮到水面进行回收，设备在测量过程中存储了大量的宝贵数据。设备浮在水面上时，如果不能及时发现会导致设备丢失，造成重大经济和科研损失。如何实现潜标的可靠回收是必须要解决的重要问题。
常用的海洋信标机是通过GPS（全球定位系统）获取定位信息，再经无线数传模块（此处的无线数传模块为蓝牙无线通信模块或zigbee无线通信模块）或GPRS（通用分组无线业务）传输定位信息，作业人员通过接收端判断目标方位。但这两种无线通信方式都存在一些缺陷，无线数传模块传输距离有限，GPRS网络覆盖范围有限，在海上距海岸一定距离（一般港口为50KM）以外无法取得信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，以提高海洋信标机定位信息传输的可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，所述海洋信标机包括：信标机机体、天线组、传感器组和控制系统；
所述天线组和所述控制系统设置在所述信标机机体的内部；
所述传感器组设置在所述信标机机体的外部；
所述传感器组与所述控制系统连接，所述控制系统用于获取所述传感器组监测的监测数据并进行存储；
所述控制系统通过所述天线组与信息管理平台连接；
所述天线组包括北斗铱星双模收发天线和GPS/北斗定位一体天线；
所述GPS/北斗定位一体天线用于获取GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度，所述控制系统还用于基于GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度选择与信息管理平台的通信模式，并根据所述通信模式利用北斗铱星双模收发天线将数据信息发送给所述信息管理平台，所述数据信息包括GPS/北斗定位一体天线监测得到的GPS定位信息和传感器组监测到的监测数据，所述通信模式为北斗通信模式或铱星通信模式。
可选的，在基于GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度选择与信息管理平台的通信模式方面，所述控制系统，具体用于：
当所述GPS定位信息满足第一预设条件，且北斗卫星信号的功率强度满足第二预设条件，或当所述GPS定位信息不满足第一预设条件时，选择所述通信模式为铱星通信模式，否则，选择所述通信模式为北斗通信模式；
所述第一预设条件为：GPS定位信息中的纬度在5°-55°的范围内和/或GPS定位信息中的经度在70°-140°的范围内；
所述第二预设条件为：预设时间段内仅存在一个功率强度小于4的北斗卫星信号，和/或预设时间段内的多个北斗卫星信号的功率强度均小于2。
可选的，所述控制系统包括：MCU模块、通信模块和压力监测模块；
所述MCU模块分别与所述通信模块和所述压力监测模块连接；
所述通信模块与所述天线组连接，所述压力监测模块与所述传感器组连接；所述传感器组包括上置压力传感器和下置压力传感器，上置压力传感器固定于信标机机体上部，下置压力传感器固定于信标机机体下部。
可选的，所述通信模块包括：北斗铱星双模模块、UART隔离电路和供电开关电路；
所述北斗铱星双模模块的数据传输接口与所述UART隔离电路连接，所述UART隔离电路与所述MCU模块连接，北斗铱星双模模块与所述北斗铱星双模收发天线连接；
所述供电开关电路与所述北斗铱星双模模块的电源输入端连接。
可选的，所述UART隔离电路包括：第一SN74LVC2T45芯片和第二SN74LVC2T45芯片；
所述第一SN74LVC2T45芯片的第一数据传输接口和第二数据传输接口及所述第二SN74LVC2T45芯片的第一数据传输接口和第二数据传输接口均与MCU模块连接；
所述第一SN74LVC2T45芯片的第三数据传输接口和第四数据传输接口及所述第二SN74LVC2T45芯片的第三数据传输接口和第四数据传输接口均与北斗铱星双模模块连接。
可选的，所述供电开关电路包括可控模拟开关、功率开关管、电阻R202、电阻R208和电阻R209；
所述可控模拟开关的一端连接12V电源输入端，所述可控模拟开关的另一端连接北斗铱星双模模块的电源输入端；北斗铱星双模模块的电源输入端还与5V电源连接；
所述功率开关管的输入端分别与可控模拟开关的控制端和电阻R202的一端连接，所述功率开关管的输出端接地，所述电阻R202的另一端与12V电源输入端连接；所述功率开关管的控制端分别与电阻R208的一端和电阻R209的一端连接，电阻R208的另一端与所述MCU模块连接，电阻R209的另一端与所述功率开关管的输出端连接。
可选的，所述压力监测模块包括传感器电路、监测MCU电路和触发开关电路；
所述传感器电路的输入端分别与上置压力传感器和下置压力传感器连接，所述传感器电路的输出端与所述监测MCU电路的输入端连接，所述监测MCU电路的输出端与所述MCU模块连接；
所述触发开关电路的输入端与所述MCU模块连接，所述触发开关电路的输出端与监测MCU电路的触发控制端连接。
可选的，所述传感器电路包括：两个数据处理电路和第一或门电路；
两个所述数据处理电路的输入端分别与所述上置压力传感器和所述下置压力传感器一一对应的连接；
两个所述数据处理电路的输出端分别与所述第一或门电路的两个输入端连接，所述第一或门电路的输出端与监测MCU电路的输入端连接；
所述数据处理电路包括：第一放大器、第二放大器、比较器和非门电路；
所述第一放大器的输出端与所述第二放大器的输入端连接，所述第二放大器的输出端与所述比较器的一个输入端连接，所述比较器的输出端与所述非门电路的输入端连接，所述比较器的另一输入端用于输入阈值电压；所述非门电路的输出端为所述数据处理电路的输出端，所述第一放大器的输入端为所述数据处理电路的输入端。
可选的，所述监测MCU电路包括PIC12F1822芯片。
可选的，所述触发开关电路包括第二或门电路；
所述第二或门电路的第一输入端用于输入时钟信号，所述第二或门电路的第二输入端与MCU模块连接，所述第二或门电路的输出端与所述监测MCU电路的触发控制端连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例提供一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，包括：信标机机体、天线组、传感器组和控制系统，所述天线组和所述控制系统设置在所述信标机机体的内部；所述传感器组设置在所述信标机机体的外部；所述传感器组与所述控制系统连接，所述控制系统用于获取所述传感器组监测的监测数据并进行存储；所述控制系统通过所述天线组与信息管理平台连接；所述天线组包括北斗铱星双模收发天线和GPS/北斗定位一体天线；所述GPS/北斗定位一体天线用于获取GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度，所述控制系统还用于基于GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度选择与信息管理平台的通信模式，并根据所述通信模式利用北斗铱星双模收发天线将数据信息发送给所述信息管理平台，所述数据信息包括GPS/北斗定位一体天线监测得到的GPS定位信息和传感器组监测到的监测数据，所述通信模式为北斗通信模式或铱星通信模式。本发明采用北斗通信模式或铱星通信模式进行定位信息的发送，提高了海洋信标机定位信息传输的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机的工作原理图；
图3为本发明实施例提供的1.8V稳压电路的原理图；
图4为本发明实施例提供的5V稳压电路的原理图；
图5为本发明实施例提供的3.3V稳压电路的原理图；
图6为本发明实施例提供的3.3V稳压电路的理图；
图7为本发明实施例提供的MCU电路的原理图；
图8为本发明实施例提供的复位电路的原理图；
图9为本发明实施例提供的JTAG调试接口电路的工作原理图；
图10为本发明实施例提供的时钟电路的工作原理图；
图11为本发明实施例提供的外部存储电路的工作原理图；
图12为本发明实施例提供的北斗铱星双模模块供电电路的工作原理图；
图13为本发明实施例提供的UART隔离电路的工作原理图；
图14为本发明实施例提供的供电开关电路的工作原理图；
图15为本发明实施例提供的监测MCU电路的工作原理图；
图16为本发明实施例提供的传感器电路的工作原理图；
图17为本发明实施例提供的触发开关电路的工作原理图；
图18为本发明实施例提供的配置接口电路的工作原理图；
图19为本发明实施例提供的通讯原理图；
图20为本发明实施例提供的随机加密算法的原理图。
附图标记说明：
1、亚克力罩；2、耐磨壳体；3、主板仓；4、电池仓；5、压力开关仓；6、天线仓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，以提高海洋信标机定位信息传输的可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，所述海洋信标机包括：信标机机体、天线组、传感器组和控制系统；所述天线组和所述控制系统设置在所述信标机机体的内部；所述传感器组设置在所述信标机机体的外部；所述传感器组与所述控制系统连接，所述控制系统用于获取所述传感器组监测的监测数据并进行存储；所述控制系统通过所述天线组与信息管理平台连接；所述天线组包括北斗铱星双模收发天线和GPS/北斗定位一体天线；所述GPS/北斗定位一体天线用于获取GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度，所述控制系统还用于基于GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度选择与信息管理平台的通信模式，并根据所述通信模式利用北斗铱星双模收发天线将数据信息发送给所述信息管理平台，所述数据信息包括GPS/北斗定位一体天线监测得到的GPS定位信息和传感器组监测到的监测数据，所述通信模式为北斗通信模式或铱星通信模式。
示例性的，所述天线组设有北斗铱星双模收发天线、GPS/北斗定位一体天线；所述传感器组设有上置压力传感器和下置压力传感器；所述控制系统设有MCU模块、通信模块、压力监测模块、用户配置模块和电源模块；本发明实施例中海洋信标机还设置有供电系统，供电系统设有通讯电池组和控制电池组。
所述控制系统和供电系统固定于信标机机体内部；所述传感器组中的上置压力传感器固定于信标机机体上部，下置压力传感器固定于信标机机体下部；所述控制系统与信息管理平台通过北斗铱星双模收发天线建立北斗/铱星通讯网络链接，控制系统通过数据传输线与传感器组建立通信；
如图1所示，信标机机体的外壳设置为T型，包括上下连接的亚克力罩1和耐磨壳体2。
耐磨壳体1的内部空间放置控制系统和供电系统；亚克力罩1对耐磨壳体2进行防水密封固定，耐磨壳体2设置为圆筒形，采用不锈钢制作。所述天线组放置在亚克力罩1内部；
所述MCU模块以可编程处理器为主要单元，通过程序的编程固化，MCU模块运行控制软件，根据设定的参数、流程通过压力监测模块采集传感器组所监测的监测数据，同时通过通信模块获取GPS/北斗定位一体天线采集的GPS定位信息；MCU模块与信息管理平台6通过通信模块建立数据链接；通信模块采用北斗/铱星两种通讯制式；控制系统接收来自信息管理平台下发的指令，根据指令设置、校正系统参数，同时控制系统将所获取的数据信息上传至信息管理平台；
本发明实施例中，信标机机体的外壳内部设置为四个仓体，包括由下至上依次设置的压力开关仓5、电池仓4、主板仓3、天线仓6，如图1所示。压力开关仓5与电池仓4之间、电池仓4与主板仓3之间、主板仓3与天线仓6之间均采用机械结构（示例性的为铜柱结构）和电气接插件的方式进行连接；压力开关仓5与主板仓3之间采用电气接插件的方式进行连接。各仓之间以叠加的方式排放在信标机机体的外壳内部，最大程度减小信标机机体的体积，以适应更多种类的海洋设备平台。下面就每一仓进行详细介绍。
一、压力开关仓
如图2所示，压力开关仓5包括机械结构控制电源开关、下置压力传感器。机械结构控制电源开关采用水密旋钮开关，电气部分采用电气接插件连接至电池仓4内电池电路，结构部分采用铜柱结构连接至电池仓4。下置压力传感器垂直放置，使用防水密封胶固定在耐磨壳体2底部，电气部分与主板仓3的压力监测模块通过电气接插件连接。下置压力传感器是系统中的重要部分，其准确程度决定了系统的监测精度。下置压力传感器的基本原理是将压力信息转化为数字电信号，经分级处理后获取质量数据。在本发明实施例中采用了PCD压力传感器，该传感器利用压敏电阻通过桥式电路将压力（由水压产生）转换为模拟电压信号，再经过放大电路和A/D转换电路转换为数字信号，通过单片机将数字信号转换为相应的深度数据，再进行线性、滞后、蠕变等补偿处理。
二、电池仓
如图2所示，所述电池仓4为整个系统提供电源。电池组分两部分，分别为通讯电池组和控制电池组，通讯电池组和控制电池组不共用地信号，分别为通信模块与MCU模块、压力监测模块供电。MCU模块、压力监测模块与通信模块分开供电可以有效隔离通信模块工作时对压力监测模块产生的电磁干扰。单节锂电池电压为3～4.2V，单节锂电池输入给MCU模块和压力监测模块供电。8节锂电池2并4串总电压为12～16.8V，多节锂电池为通信模块供电。
三、主板仓
主板仓3包括一块控制板，控制板是整个系统的核心控制单元，对整个系统的工作进行调度，同时包含设置在控制板上的电源模块、MCU模块、通信模块、压力监测模块、用户配置模块。
1.电源模块
电源模块包含为通信模块供电的5V稳压电路、为MCU模块供电的1.8V稳压电路、为UART隔离电路供电的3.3V稳压电路和为压力监测模块供电的3.3V稳压电路。
(1)为MCU模块供电的1.8V稳压电路
1.8V电源输出用于MCU模块和监测MCU的芯片的供电，如图3所示。采用LTC3533转换器IC202作为1.8V电源的稳压电源，LTC3533转换器IC202的电源输入口PVin、Vin和接地端之间并联有电容C205和电容C206，LTC3533转换器IC202的电源输出口PVout、Vout和接地端之间有电容C207，PVout、Vout和FB端口之间电阻R207串联电容C203后与电阻R206并联，FB端口与DGND端口之间串联电阻R201，FB端口与Vc端口之间C202与R203串联后与电容C201并联，其中电阻R201、电阻R206的阻值用于确定输出电压。LTC3533转换器IC202的端口Rt与接地端之间串联电阻R205，端口BURST与接地端之间并联电阻R204和电容C204，端口SW1与SW2之间串联电感L201，LTC3533转换器IC202的电源输出口PVout、Vout连接至1.8V电源信号端VCC_430-1.8V。
（2）为通信模块供电的5V稳压电路
5V稳压电路为北斗铱星双模模块提供稳压电源，如图4所示5V稳压电路选用凌特公司的LT1763系列芯片中的5V输出芯片IC204。5V输出芯片IC204的8管脚连接可控模拟开关IC201的5、6、7、8管脚，连接至12V电源输出端VCC12-BDout，并且与DGND信号之间并联电容C225、电容C226，其中电容C225为滤波电容，选取无极性独石电容，容量10uF，电容C226为整流电容，整合来自电池组输出的电源，选取极性钽电容，容量为47uF。5V输出芯片IC204的5管脚连接至8管脚，5V输出芯片IC204的7管脚连接DGND信号。5V输出芯片IC204的1、2管脚连接至5V电源输入端VCC5-BDin，1、2管脚连接电容C227、电容C228的一端，电容C227、电容C228另一端连接至DGND信号，5V输出芯片IC204的3、6管脚连接至DGND信号。
（3）为UART隔离电路供电的3.3V稳压电路
为UART隔离电路供电的3.3V稳压电路，如图5所示，UART隔离电路供电的3.3V稳压电选用LT1963系列芯片的3.3V输出芯片IC205，3.3V输出芯片IC205的1管脚连接5V电源输入端VCC5-BDin，3.3V输出芯片IC205的3管脚与DGND信号之间串联电容电容C230，电容C230为滤波电容，选取无极性独石电容，容量10uF，3.3V输出芯片IC205的3管脚同时连接第一3.3V电源信号端VCC_TTL-3.3V。3.3V输出芯片IC205的2、4管脚连接DGND信号。
（4）为压力监测模块供电的3.3V稳压电路
为压力监测模块供电的3.3V稳压电路，如图6所示。其中，为压力监测模块供电的3.3V稳压电路选用的电源芯片为LTC3533转换器IC203，本发明实施例采用LTC3533转换器IC203作为3.3V电源的稳压电源，输出3.3V电源至第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V，LTC3533转换器IC203的12管脚连接控制MCU的管脚，用于控制LTC3533的启动或休眠。LTC3533转换器IC203的11管脚为输入端连接单节锂电池，与接地端之间并联有电容C212、电容C213，电容C212、电容C213为滤波电容，选取无极性独石电容。电阻R210、电阻R215的阻值决定了LTC3533输出的电压值。
2.MCU模块
主控MCU芯片MCU模块选用芯片MSP430F149作为主控MCU芯片IC200，MSP430F149芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器，有60KB+256字节FLASH、2KB RAM，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位并行端口、模拟比较器、12位A/D转换器、2个串行通信接口等模块。
MSP430F149芯片具有如下特点：①功耗低：电压1.8V、时钟频率1MHz时，活动模式为200μA；关闭模式时仅为0 .1A，且具有5种节能工作方式；②高效16位RISC-CPU，27条指令，8MHz时钟频率时，指令周期时间为125ns，绝大多数指令在一个时钟周期完成；32kHz时钟频率时，16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHz时钟频率时的执行速度；③低电压供电、宽工作电压范围：1 .8～3 .6V；④灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟；⑤低时钟频率可实现高速通信；⑥具有串行在线编程能力；⑦强大的中断功能；⑧唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需6μs；⑨ESD保护，抗干扰力强；⑩运行环境温度范围为-40～+85℃，适合于工业环境。
MCU模块包括主控MCU电路、复位电路、高速晶体振荡器、低速晶体振荡器、JTAG调试接口电路、时钟电路和外部存储电路。
（1）主控MCU电路
主控MCU电路的原理图如图7所示，主控MCU芯片IC200的电源输入管脚DVCC、AVCC连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，管脚DGND、AGND连接接地端，管脚RET连接RST430信号（即复位芯片IC107的RST管脚），管脚XT2OUT、XT2IN之间并联有晶振Y101，晶振Y101取值6MHz，并串联电容C104、电容C105，电容C104、电容C105为滤波电容，选取无极性独石电容，容量22pF，电容C104、电容C105另一端连接接地端。主控MCU芯片IC200的管脚Xin、Xout并联晶振Y102，晶振Y102取值32.768KHz，并串联电容C107、电容C108，电容C107、电容C108为滤波电容，选取无极性独石电容，容量22pF、5.1MF，电容C107、电容C108另一端连接接地端。主控MCU芯片IC200的TCK、TMS、TDI、TDO管脚连接JTAG调试接口电路的TCK430、TMS430、TDI430、TDO430信号。主控MCU芯片IC200的Vref+管脚与接地端之间串联电容C106，Veref+、Veref-管脚同时连接接地端。
主控MCU芯片IC200的12-15管脚连接外部存储电路的AT_SI、AT_SO、AT_SCK、AT_CS信号。主控MCU芯片IC200的16管脚连接有电路R102和LED灯D101，本发明实施例选用LED灯D101的不同闪烁形式来表示系统工作的不同状态。主控MCU芯片IC200的19管脚连接PWR信号，连接通信电路的供电开关电路，用于控制供电开关电路的开关。主控MCU芯片IC200的21、22、24、25管脚分别连接DSSINTA、DSSDA、DSSINTB、DSSCL信号，连接系统时钟芯片IC102的14、16、2、1管脚。主控MCU芯片IC200的23管脚连接第二或门电路IC105的2管脚，主控MCU芯片IC200的26、27管脚连接监测MCU电路的IC305的7、3管脚。主控MCU芯片IC200的28-31管脚、36-37管脚连接至用户配置模块的JP201。主控MCU芯片IC200的32-35管脚连接至UART隔离电路的第一SN74LVC2T45芯片IC101、第二SN74LVC2T45芯片IC103。
(2)复位电路
复位电路如图8所示，复位电路选用MAX6425作为复位芯片IC107，复位芯片IC107的RST管脚连接上拉电阻R111连接至1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，保持高电平状态，VCC电源连接至1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，GND管脚连接DGND信号，SRT管脚连接电容C120连接至DGND信号。当复位芯片IC107工作时，RST管脚由高电平转换为低电平，主控MCU芯片IC200的58管脚（RET管脚）被拉低，系统复位。
(3)高速晶体振荡器
MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。数字控制振荡器DCO已经集成在MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。
如图7所示，所述高速晶体振荡器包括晶振Y101(6MHz)，所述晶振Y101连接于主控MCU芯片IC200的晶振2起振输入端XT2IN(管脚53)和晶振2起振输出端XT2OUT(管脚52)之间，所述晶振Y101的两端分别外接电容C104和电容C105，电容C104和电容C105均连接至1.8V电源稳压电路的接地端DGND。其中，电容C104和电容C105均采用22pF。
(4) 低速晶体振荡器
低速晶体振荡器满足了低功耗及使用32.768kHz晶振的要求，低速晶体振荡器默认工作在低频模式，即32.768kHz，还可以通过外接450kHz～8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本发明电路中使用低频模式。
如图7所示，所述低速晶体振荡器包括晶振Y102(32.768kHz)，所述晶振Y102连接于主控MCU芯片IC200的晶振1起振输入端XIN(管脚8)和晶振1起振输出端XOUT/TCLK(管脚9)之间，所述晶振Y102的两端分别外接电容C107和电容C108，所述电容C107和电容C108均连接至1.8V电源稳压电路的接地端DGND。其中，所述电容C107和电容C108均采用22pF。
（5）JTAG调试接口电路
MSP430系列芯片支持JTAG调试接口，可以实现程序的在线调试和烧写功能，如图9所示。JTAG调试接口电路采用8芯电气接插件J201，8芯电气接插件J201的数据输出端口TDO（1管脚）连接至主控MCU芯片IC200的管脚54，8芯电气接插件J201的数据输入端口TDI（2管脚）连接至主控MCU芯片IC200的管脚55，8芯电气接插件J201的模式选择端口TMS（4管脚）连接至主控MCU芯片IC200的管脚56，8芯电气接插件J201的时钟端口TCK（6管脚）连接至主控MCU芯片IC200的管脚57，8芯电气接插件J201的复位端口RST（8管脚）通过电阻R211连接至主控MCU芯片IC200的管脚58，8芯电气接插件J201的电源地端口GND（3管脚和5管脚）连接DGND信号，8芯电气接插件J201的电源端口VCC（7管脚）连接至1.8V电源信号端VCC_430-1.8V。
(6)时钟电路
系统工作在水下进入低功耗时，主控MCU芯片IC200与监测MCU芯片均处于休眠状态，系统时钟电路正常工作，在设定的时间间隔唤醒监测MCU芯片进行水压检测，一旦压力值达到预设的阈值，监测MCU芯片将唤醒主控MCU芯片IC200，主控MCU芯片IC200开启通信模块工作。如图10所示，时钟电路选用芯片DS1337作为时钟芯片IC102，DS1337串行实时时钟芯片是低功耗、全部采用BCD码的时钟日历芯片，它带有两个可编程的定时闹钟，其地址和数据可通过I2C总线串行传输，能提供秒、分、时、日、星期、月和年等信息。时钟电路的原理图如图10所示，时钟芯片IC102的电源输入端Vcc连接电容C110和1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，电容C110、时钟芯片IC102的接地端NC均连接DGND信号。时钟芯片IC102的1、2、14、16管脚分别连接有上拉电阻R104、上拉电阻R105、上拉电阻R106、上拉电阻R107，上拉电阻R104、上拉电阻R105、上拉电阻R106、上拉电阻R107连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V。
(7)外部存储电路
外部存储电路选用AT25080B串行接口的电可擦可编程只读存储器作为存储芯片IC104，AT25080B串行接口的电可擦可编程只读存储器掉电后数据不丢失的存储芯片，用来存储主控MCU芯片IC200的编写部分程序。如图11所示，存储芯片IC104的1管脚连接主控MCU芯片IC200的15管脚，存储芯片IC104的2管脚连接主控MCU芯片IC200的13管脚，存储芯片IC104的5管脚连接主控MCU芯片IC200的12管脚，存储芯片IC104的6管脚连接主控MCU芯片IC200的12管脚，存储芯片IC104的3、7、8管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，存储芯片IC104的4管脚连接DGND信号。
3.通信模块
通信模块包含北斗铱星双模模块、UART隔离电路、供电开关电路。UART隔离电路采用接插件IP201连接北斗铱星双模模块，示例性的，接插件IP201选用DF9-25电气接插件，管脚定义如图12所示。北斗铱星双模模块的主要特点：①北斗铱星双模自动切换，在北斗覆盖范围内首选北斗通讯，北斗覆盖范围外自动切换为铱星通讯，传输距离远，覆盖全球；②双向数据传输，数据透明传输，无附加协议，编程方便；③连接为DF9-25电气接插件连接，方便与主控MCU芯片IC200连接；④功耗较低，静态平均功耗≤1W；⑤体积小，安装简单，适合用于小型设备。
(1)北斗铱星双模模块
如图12所示，北斗铱星双模模块采用12V和5V直流电源供电，12V用于北斗铱星双模模块的数据发送，5V用于北斗铱星双模模块的数据接收。如图12所示，接插件IP201的1管脚、2管脚、3管脚、4管脚、5管脚连接12V电源输出端VCC12-BDout，接插件IP201的1管脚、2管脚、3管脚、4管脚、5管脚与接地端之间还设置有并联连接的电容C219、电容C220、电容C221，接插件IP201的6管脚、7管脚、8管脚、9管脚连接5V电源输入端VCC5-BDin，接插件IP201的17管脚、18管脚、19管脚和20管脚与UART隔离电路连接，接插件IP201的10管脚、11管脚、12管脚、13管脚、16管脚、21管脚、22管脚连接接地端，接插件IP201的19管脚和20管脚分别通过上拉电阻R218和上拉电阻R221连接至第一3.3V电源信号端VCC_TTL-3.3V,接插件IP201的15管脚连接1pps信号。
(2)UART隔离电路
如图13所示，UART隔离电路采用SN74LVC2T45芯片，示例性的，如图13所示，UART隔离电路包括第一SN74LVC2T45芯片IC101和第二SN74LVC2T45芯片IC103，SN74LVC2T45芯片为可配置电压转换和三态输出的双位双电源总线收发器，设计用于两条数据总线之间的异步通信。主控MCU芯片IC200的接口电平为1.8V，第一SN74LVC2T45芯片IC101的2、3管脚分别连接主控MCU芯片IC200的32、34管脚，北斗铱星双模模块的接口电平为3.3V，第一SN74LVC2T45芯片IC101的6、7管脚分别连接接插件IP201的17、18管脚。第一SN74LVC2T45芯片IC101的1管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，并连接电容C109，电容C109连接DGND信号，电容C109为滤波电容，选用无极性独石电容。第一SN74LVC2T45芯片IC101的8管脚连接至第一3.3V电源信号端VCC_TTL-3.3V。第二SN74LVC2T45芯片IC103的2、3管脚分别连接主控MCU芯片IC200的33、35管脚，第二SN74LVC2T45芯片IC103的6、7管脚分别连接接插件IP201的19、20管脚。第二SN74LVC2T45芯片IC103的1管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，并连接电容C117，电容C117连接DGND信号，电容C117为滤波电容，选用无极性独石电容。第二SN74LVC2T45芯片IC103的8管脚连接至第一3.3V电源信号端VCC_TTL-3.3V。
（3）供电开关电路
供电开关电路采用模拟开关完成输入电源信号与输出电源信号的切换功能，如图14所示，主控MCU芯片IC200采用MOS管的开关方式实现对信号链路关断或打开，其特点是功耗低、速度快、无机械接触点、体积小、使用寿命长等。如图14所示，可控模拟开关IC201选用NTMS10P02R2G芯片，可控模拟开关IC201的1、2、3、4管脚连接12V电源输入端VCC12-BDin，并连接电阻R202，电阻R202连接三极管Q201，三极管Q201连接电阻R208、电阻R209，电阻R208连接主控MCU芯片IC200的19管脚，当主控MCU芯片IC200控制此管脚为高电平时三极管Q201导通，可控模拟开关IC201的输出端5、6、7、8管脚输出12V至12V电源输出端VCC12-BDout。
4.压力监测模块
（1）监测MCU电路
监测MCU电路采用Microchip公司推出的PIC单片机PIC12F1822作为监测MCU芯片IC305。PIC12F1822采用精简指令集（RISC）结构的嵌入式微控制器，因其高速度、低电压、低功耗等性能，选择此款单片机作为监测用MCU。如图15所示，监测MCU芯片IC305的1管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，并连接电容C315、电容C314，电容C315、电容C314为滤波电容，电容值分别为0.1uF、1uF，电容C315、电容C314连接DGND信号。监测MCU芯片IC305的2管脚连接LTC3533转换器IC203的12管脚（即使能管脚），监测MCU芯片IC305的3管脚和7管脚分别连接主控MCU芯片IC200的管脚27、26管脚。监测MCU芯片IC305的4管脚用于接收压力传感器的检测结果。监测MCU芯片IC305的8管脚连接DGND信号，监测MCU芯片IC305的6管脚连接电阻R305，电路R305连接LED灯D301，LED灯D301连接DGND信号。监测MCU芯片IC305的5管脚连接第二或门电路IC105。
(2)传感器电路
传感器电路采用双路输入、备份设计。有两路压力传感器，分别对应两路输入电路。两路电路设计相同，以其中一路电路作为说明，如图16所示，一路传感器信号通过四芯接插件JP301的3、4管脚输入，四芯接插件JP301的1、2管脚分别连接DGND信号、第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V为压力传感器供电。输入信号连接一个数据处理电路的第一放大器IC301，第一放大器IC301选用AD623芯片，第一放大器IC301的2、3管脚，第一放大器IC301的1、8管脚之间连接电阻R302与电阻R301，4、5管脚连接接地端，第一放大器IC301的7管脚连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V，第一放大器IC301的6管脚（输出管脚）连接第二放大器IC302的管脚3（输入管脚），第二放大器IC302选用OP193芯片，第二放大器IC302的7管脚连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V。第二放大器IC302的6管脚连接第三放大器IC303的3管脚，第三放大器IC303选用MAX9119芯片，第三放大器IC303的2管脚连接DGND信号，第三放大器IC303的5管脚连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V，第三放大器IC303的4管脚连接电阻R315、电阻R308，电阻R315、电阻R308分别连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V和DGND信号，第三放大器IC303的1管脚连接非门电路IC309的2管脚（输入管脚），非门电路IC309选用74AHC1G04芯片，非门电路IC309的3管脚连接DGND信号，非门电路IC309的5管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，并连接电容C316，电容C316连接接地端，非门电路IC309的4管脚连接第一或门电路IC304的1管脚（第一输入端），第一或门电路IC304寻用NC7SZ32P芯片。
另一路传感器信号通过四芯接插件JP302的3、4管脚输入，四芯接插件JP302的1、2管脚分别连接GND、第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V为压力传感器供电。输入信号连接一个数据处理电路的第四放大器IC306，第四放大器IC306选用AD623芯片，第四放大器IC306的2、3管脚，第四放大器IC306的1、8管脚之间连接电阻R307与电阻R306，4、5管脚连接接地端，第四放大器IC306的7管脚连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V，第四放大器IC306的6管脚（输出管脚）连接第五放大器IC307的3管脚（输入管脚），第五放大器IC307选用OP193芯片，第五放大器IC307的7管脚连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V。第五放大器IC307的6管脚连接第六放大器IC308的3管脚，第六放大器IC308选用MAX9119芯片，第六放大器IC308的2管脚连接DGND信号，第六放大器IC308的5管脚连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V，第六放大器IC308的4管脚连接电阻R316、电阻R309，电阻R316、电阻R309分别连接第二3.3V电源信号端VCC_BD-3.3V和DGND信号，第六放大器IC308的1管脚连接非门电路IC310的2管脚（输入管脚），非门电路IC310选用74AHC1G04芯片，非门电路IC310的3管脚连接DGND信号，非门电路IC310的5管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，并连接电容C317，电容C317连接接地端，非门电路IC310的4管脚连接第一或门电路IC304的2管脚（第二输入端）。
第一或门电路IC304选用NC7SZ32P芯片，第一或门电路IC304的1、2管脚同时通过下拉电阻R310、下拉电阻R311连接DGND信号，第一或门电路IC304的5管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，并连接电容C307，电容C307的另一端连接DGND信号，第一或门电路IC304的4管脚连接监测MCU芯片IC305的4管脚。
(3)触发开关电路
如图17所示，触发开关电路用来触发监测MCU电路启动，实现监测功能，触发开关电路采用采用或门电路，即第二或门电路IC105，第二或门电路IC105选用NC7SZ32P5X芯片。第二或门电路IC105的1管脚连接时钟芯片IC102的2管脚，第二或门电路IC105的2管脚连接主控MCU芯片IC200的23管脚，第二或门电路IC105的3管脚连接DGND信号，第二或门电路IC105的5管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，连接滤波电容C119，C119另一端连接DGND信号，第二或门电路IC105的4管脚连接监测MCU芯片IC305的5管脚。
5.用户配置模块
用户配置模块包含与主控MCU电路相连接的配置接口电路。如图18所示，用户配置模块选用SPI接口作为用户配置接口JP201，用户配置接口JP201的1管脚连接主控MCU芯片IC200的36管脚，3管脚连接主控MCU芯片IC200的37管脚，5管脚连接DGND信号，7管脚连接1.8V电源信号端VCC_430-1.8V，2管脚连接主控MCU芯片IC200的31管脚，4管脚连接主控MCU芯片IC200的30管脚，6管脚连接主控MCU芯片IC200的29管脚，8管脚连接主控MCU芯片IC200的28管脚。
四、天线仓
天线仓位于整个系统的顶端，所述天线仓包括北斗铱星双模收发天线、GPS/北斗定位一体天线、上置压力传感器。其中，GPS/北斗定位一体天线用于定位功能，提供时间、经纬度、海拔高度等参数；北斗铱星双模收发天线用于加强北斗和铱星通信时的信号强度，使数据传输更远更可靠；上置压力传感器为系统设置的两个压力传感器之一，与下置压力传感器相对应。系统工作时，两个压力传感器同时工作，系统采集其数据进行处理运算，利用运算结果判断系统此时的水深位置。
示例性的，如图19所示，在基于GPS定位信息及北斗卫星信号功率强度选择与信息管理平台的通信模式方面，所述控制系统，具体用于：当所述GPS定位信息满足第一预设条件，且所述北斗卫星信号功率强度满足第二预设条件，或当所述GPS定位信息不满足第一预设条件时，选择所述通信模式为铱星通信模式，否则，选择所述通信模式为北斗通信模式；所述第一预设条件为：GPS定位信息中的纬度在5°-55°的范围内和/或GPS定位信息中的经度在70°-140°的范围内；所述第二预设条件为：预设时间段内仅存在一个功率强度小于4的北斗卫星信号，和/或预设时间段内的多个北斗卫星信号的功率强度均小于2。具体为，通信模块开机后，默认北斗通信模式，北斗二代覆盖亚太地区，服务区域为南北纬度5度-55度，东经70度-140度的区域。接收GPS定位信息，具体见表1。当纬度超出5°～55°范围，或经度超出70°～140°范围时，发送北斗卫星信号的功率强度检测指令，具体指令内容见表2。
表1定位信息
表2 功率检测指令
接收到功率状况指令，具体指令内容见表3
表3 功率状况指令
表3中有6个波束的信号功率，如果仅有1个波束信号功率，且信号功率<4，切换铱星模式；如果多于一个波束功率均在0～2之间，切换铱星模式。
本发明实施例在数据传输的过程中采用了随机加密算法对数据信息进行加密。
采用随机加密算法需要具备的条件：①每台信标机有唯一的ID号；②信息管理平台与信标机控制模块的MCU程序中，有统一的协议算法。应用时，MCU根据当前时间和信标机ID，产生加密因子，数据信息加密后随机分解为多个片段，将加密因子穿插在两个信息片段间隙，最后打包发送，如图20所示。具有加密因子的随机加密算法保证信息只能被指定接收方验证，其真实性和完整性不会被泄露给第三方，此方法保证了信息传输过程中的完整性和安全性。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例提供一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，包括：信标机机体、天线组、传感器组和控制系统，所述天线组和所述控制系统设置在所述信标机机体的内部；所述传感器组设置在所述信标机机体的外部；所述传感器组与所述控制系统连接，所述控制系统用于获取所述传感器组获取的监测数据并进行存储；所述控制系统与所述天线组，所述控制系统通过所述天线组与信息管理平台连接；所述天线组包括北斗铱星双模收发天线和GPS/北斗定位一体天线；所述GPS/北斗定位一体天线用于获取GPS定位信息及北斗卫星信号功率强度，所述控制系统还用于基于GPS定位信息及北斗卫星信号功率强度选择与信息管理平台的通信模式，并根据所述通信模式利用北斗铱星双模收发天线将数据信息发送给所述信息管理平台，所述数据信息包括GPS/北斗定位一体天线监测得到的GPS定位信息和传感器组监测到的监测数据，所述通信模式为北斗通信模式或铱星通信模式。本发明采用北斗通信模式或铱星通信模式进行定位信息的发送，提高了海洋信标机定位信息传输的可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种北斗铱星双模自适应的海洋信标机，其特征在于，所述海洋信标机包括：信标机机体、天线组、传感器组和控制系统；
所述天线组和所述控制系统设置在所述信标机机体的内部；
所述传感器组设置在所述信标机机体的外部；
所述传感器组与所述控制系统连接，所述控制系统用于获取所述传感器组监测的监测数据并进行存储；
所述控制系统通过所述天线组与信息管理平台连接；
所述天线组包括北斗铱星双模收发天线和GPS/北斗定位一体天线；
所述GPS/北斗定位一体天线用于获取GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度，所述控制系统还用于基于GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度选择与信息管理平台的通信模式，并根据所述通信模式利用北斗铱星双模收发天线将数据信息发送给所述信息管理平台，所述数据信息包括GPS/北斗定位一体天线监测得到的GPS定位信息和传感器组监测到的监测数据，所述通信模式为北斗通信模式或铱星通信模式；
在基于GPS定位信息及北斗卫星信号的功率强度选择与信息管理平台的通信模式方面，所述控制系统，具体用于：
当所述GPS定位信息满足第一预设条件且北斗卫星信号的功率强度满足第二预设条件，或当所述GPS定位信息不满足第一预设条件时，选择所述通信模式为铱星通信模式，否则，选择所述通信模式为北斗通信模式；
所述第一预设条件为：GPS定位信息中的纬度在5°-55°的范围内和/或GPS定位信息中的经度在70°-140°的范围内；
所述第二预设条件为：预设时间段内仅存在一个功率强度小于4的北斗卫星信号，和/或预设时间段内的多个北斗卫星信号的功率强度均小于2；
所述控制系统包括：MCU模块、通信模块和压力监测模块；
所述MCU模块分别与所述通信模块和所述压力监测模块连接；
所述通信模块与所述天线组连接，所述压力监测模块与所述传感器组连接；所述传感器组包括上置压力传感器和下置压力传感器，上置压力传感器固定于信标机机体上部，下置压力传感器固定于信标机机体下部；
所述通信模块包括：北斗铱星双模模块、UART隔离电路和供电开关电路；
所述北斗铱星双模模块的数据传输接口与所述UART隔离电路连接，所述UART隔离电路与所述MCU模块连接，北斗铱星双模模块与所述北斗铱星双模收发天线连接；
所述供电开关电路与所述北斗铱星双模模块的电源输入端连接；
所述供电开关电路包括可控模拟开关、功率开关管、电阻R202、电阻R208和电阻R209；
所述可控模拟开关的一端连接12V电源输入端，所述可控模拟开关的另一端连接北斗铱星双模模块的电源输入端；北斗铱星双模模块的电源输入端还与5V电源连接；
所述功率开关管的输入端分别与可控模拟开关的控制端和电阻R202的一端连接，所述功率开关管的输出端接地，所述电阻R202的另一端与12V电源输入端连接；所述功率开关管的控制端分别与电阻R208的一端和电阻R209的一端连接，电阻R208的另一端与所述MCU模块连接，电阻R209的另一端与所述功率开关管的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的北斗铱星双模自适应的海洋信标机，其特征在于，所述UART隔离电路包括：第一SN74LVC2T45芯片和第二SN74LVC2T45芯片；
所述第一SN74LVC2T45芯片的第一数据传输接口和第二数据传输接口及所述第二SN74LVC2T45芯片的第一数据传输接口和第二数据传输接口均与MCU模块连接；
所述第一SN74LVC2T45芯片的第三数据传输接口和第四数据传输接口及所述第二SN74LVC2T45芯片的第三数据传输接口和第四数据传输接口均与北斗铱星双模模块连接。
3.根据权利要求1所述的北斗铱星双模自适应的海洋信标机，其特征在于，所述压力监测模块包括传感器电路、监测MCU电路和触发开关电路；
所述传感器电路的输入端分别与上置压力传感器和下置压力传感器连接，所述传感器电路的输出端与所述监测MCU电路的输入端连接，所述监测MCU电路的输出端与所述MCU模块连接；
所述触发开关电路的输入端与所述MCU模块连接，所述触发开关电路的输出端与监测MCU电路的触发控制端连接。
4.根据权利要求3所述的北斗铱星双模自适应的海洋信标机，其特征在于，所述传感器电路包括：两个数据处理电路和第一或门电路；
两个所述数据处理电路的输入端分别与所述上置压力传感器和所述下置压力传感器一一对应的连接；
两个所述数据处理电路的输出端分别与所述第一或门电路的两个输入端连接，所述第一或门电路的输出端与监测MCU电路的输入端连接；
所述数据处理电路包括：第一放大器、第二放大器、比较器和非门电路；
所述第一放大器的输出端与所述第二放大器的输入端连接，所述第二放大器的输出端与所述比较器的一个输入端连接，所述比较器的输出端与所述非门电路的输入端连接，所述比较器的另一输入端用于输入阈值电压；所述非门电路的输出端为所述数据处理电路的输出端，所述第一放大器的输入端为所述数据处理电路的输入端。
5.根据权利要求3所述的北斗铱星双模自适应的海洋信标机，其特征在于，所述监测MCU电路包括PIC12F1822芯片。
6.根据权利要求3所述的北斗铱星双模自适应的海洋信标机，其特征在于，所述触发开关电路包括第二或门电路；
所述第二或门电路的第一输入端用于输入时钟信号，所述第二或门电路的第二输入端与MCU模块连接，所述第二或门电路的输出端与所述监测MCU电路的触发控制端连接。
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