伴隨著海洋開發(fā)過程中人們對海量信息需求的日益多樣化，傳統(tǒng)海洋測繪體系已轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化測繪技術體系，海洋綜合導航定位系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。如今，海底地震勘探技術正在逐步成熟，海底地震勘探技術是海洋深處地質(zhì)調(diào)查和海洋資源探測的重要手段。海底地震儀OBS(Ocean Bottom Seismometer)是一種可以放置在海底接收人工或天然地震信號的記錄儀器[1],通過將OBS布設于海底，廣方位角接收海洋調(diào)查船拖曳震源觸發(fā)放炮后的縱橫波信息,實現(xiàn)對海底深部構(gòu)造的探測[2]。

    OBS布設導航定位系統(tǒng)(OBSNavGIS)是集數(shù)據(jù)實時采集、通信、解析、電子海圖顯示等功能為一體的海洋導航定位系統(tǒng)，通信模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分，其實時性、準確性和穩(wěn)定性直接影響導航定位系統(tǒng)的性能。目前國內(nèi)外大多數(shù)水下測量導航軟件都支持通過RS232串口或并口連接多種傳感器,如GPS接收機、回聲測深儀、剖面儀、涌浪儀以及USBL[3]，其中最常用的通信方式是串行通信。但是采用串行通信方式也存在一些問題，即當終端連接多個傳感器設備時，繁瑣的串口參數(shù)配置和雜亂的線路布設極大地影響了作業(yè)效率和作業(yè)環(huán)境。隨著Internet技術的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡通信技術應用于工業(yè)的可行性大大加強，在導航領域，網(wǎng)絡通信技術能夠有效地彌補傳統(tǒng)串行通信技術的不足，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，發(fā)展前景廣闊。
    本文設計并實現(xiàn)了支持TCP網(wǎng)絡通信，同時兼容傳統(tǒng)串口通信的OBSNavGIS設備通信模塊，以此實現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)的實時采集、多設備的統(tǒng)一管理，以及長時間的連續(xù)監(jiān)測，為海洋布設導航過程提供全面可靠的數(shù)據(jù)。

1 OBS布設導航定位系統(tǒng)
    OBSNavGIS是集數(shù)據(jù)實時采集、通信、解析及電子海圖顯示功能為一體的海洋導航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在落實天然氣水和物資源勘查技術的研究，主要包括對OBS高精度投放與定位技術,以及海底OBS實時可視化投放技術的研究與實現(xiàn)。系統(tǒng)采用層次化的體系架構(gòu)，主要分為表現(xiàn)層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)層。表現(xiàn)層主要負責電子海圖的顯示和OBS投放觀測;業(yè)務層涵蓋了對設備的管理和OBS投放控制;數(shù)據(jù)層主要負責底層數(shù)據(jù)訪問和硬件交互。軟件架構(gòu)如圖1所示。

2 多路設備實時通信模塊的設計
2.1 功能設計
    多路設備實時通信模塊是一個通用接口模塊，也是整個系統(tǒng)中最基礎、最核心的單元。主要由數(shù)據(jù)層的通信構(gòu)件和業(yè)務層的設備管理模塊構(gòu)成。其中通信構(gòu)件主要負責與底層硬件交互,對不同的通信機制進行封裝，采集解析多路設備數(shù)據(jù)，為上層的設備管理提供基本的數(shù)據(jù)訪問支持。主要包括以下功能：
    (1)連接RS232標準的串口設備，能實時獲取多個串行數(shù)據(jù)，提供有效的同步機制，協(xié)調(diào)多線程的并行；
　 (2)建立基于TCP/IP通信協(xié)議的客戶端與服務器端的網(wǎng)絡連接，控制客戶端的數(shù)據(jù)訪問；
　 (3)解析多路設備的數(shù)據(jù)。提供不同設備的解析驅(qū)動，對不同設備數(shù)據(jù)進行語法和語義的分析。
    設備管理模塊主要負責通信方式的集成和設備的統(tǒng)一管理。主要包括以下功能：
　(1)構(gòu)建抽象的設備對象，提供統(tǒng)一的設備訪問控制接口,集成串口和TCP/IP兩種不同的通信方式連接設備；
　(2)管理抽象的設備對象,處理用戶的設備操作請求,完成屬性設置、添加/刪除、啟動/停止、狀態(tài)查詢等操作。
2.2 模塊設計
2.2.1 串口通信硬件連接設計
    OBSNavGIS系統(tǒng)中串口通信是指用戶通過計算機串口實現(xiàn)計算機應用程序(OBSNavGIS)與多路設備之間的通信。串口均是按位進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[5]。OBSNavGIS的外設通過RS232串口與主機相連,外設有：GPS(含DGPS)、羅經(jīng)、OBS以及水深儀。
2.2.2 網(wǎng)絡通信硬件連接設計
　OBSNavGIS系統(tǒng)中TCP網(wǎng)絡通信主要負責接收遵循TCP/IP通信協(xié)議的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，需要借助多串口轉(zhuǎn)網(wǎng)關[6]將串口設備通過標準TCP/IP協(xié)議接入Internet。多串口轉(zhuǎn)網(wǎng)關的主要作用是把串口數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。
　本系統(tǒng)中，采用RS232通信接口將DGPS（船位）、水下OBS(水下定位)等NMEA-0183[7]格式數(shù)據(jù)，船艏向、水深等定位數(shù)據(jù)接入導航接口單元，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線發(fā)送給系統(tǒng)。
3 多路設備實時通信模塊的實現(xiàn)
3.1 關鍵技術
3.1.1 串口與TCP通信技術的集成
    串口和TCP通信技術的集成主要采用了面向?qū)ο罄^承和多態(tài)機制，并將其封裝起來，屏蔽業(yè)務模塊對通信技術的直接訪問，通信模塊核心類圖如圖2所示。類CDeviceManage負責設備管理，維護一個抽象的CDeviceObj設備對象引用集合,提供對設備控制的操作，并將多種設備集成到同一平臺,實現(xiàn)一體化組織和管理，增強了系統(tǒng)的可維護性。

    CDeviceObj作為設備的抽象類，提供了設備啟動和停止的接口方法，CSerialDev和CTCPDev繼承自CDeviceObj，分別基于串口和TCP/IP兩種不同通信機制的實現(xiàn)形式。CSerialDev和CTCPSocket都將具體實現(xiàn)底層通信構(gòu)件類CSerialWithBuffer和CTCPSocket，增強了系統(tǒng)的可擴展性。
3.1.2 串口通信技術的應用
    OBSNavGIS串口通信構(gòu)件使用第三方通信類CSerialWithBuffer進行通信設計。CSerialWithBuffer指基于多線程對處理串口的Windows API進行封裝。為了有效解決串口上占用CPU時間而引起的線程堵塞問題，將串口數(shù)據(jù)的采集存儲和讀取處理分置到串口監(jiān)視線程和入庫線程中。
3.1.3 TCP網(wǎng)絡通信的應用
    OBSNavGIS系統(tǒng)中TCP網(wǎng)絡通信分為服務器和客戶端兩部分，OBSNavGIS系統(tǒng)作為客戶端，用類CTcpSocket實現(xiàn)與服務器端的交互，CTcpSocket對Windows Socket API進行了封裝，其中包含一個CDateBuffer類型的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。進行網(wǎng)絡連接時，調(diào)用CTcpSocket的Connect（）向服務器端發(fā)出連接請求，連接后調(diào)用StartReciving（）向服務器發(fā)送讀設備數(shù)據(jù)請求，并啟動數(shù)據(jù)監(jiān)聽線程?？蛻舳耸盏綌?shù)據(jù)后存入緩沖區(qū)，并借助回調(diào)函數(shù)[7]通知主程序讀取數(shù)據(jù)。
3.2 具體實現(xiàn)
　 在Window平臺上，使用VS2010開發(fā)OBSNavGIS系統(tǒng)的各個模塊。
3.2.1 基于串口通信技術的實現(xiàn)過程
　 串口讀取數(shù)據(jù)的基本工作流程為：
　 (1)調(diào)用CSerialWithBuffe的Setup（）方法初始化。
　 (2)調(diào)用Open（）開啟串口，然后依次調(diào)用StartListener（）啟動串口監(jiān)測線程，WaitEvent（）對串口上發(fā)生的事件進行獲取和處理，WaitForSingleObject（）對串口相關的用戶控制事件進行等待和處理，OnEvent（）將數(shù)據(jù)寫入緩沖，并以消息方式通知主程序進行數(shù)據(jù)處理。
    (3)調(diào)用Close（）StopListener（）關閉串口監(jiān)聽線程。
    添加串口通信設備的對話框如圖3所示，圖右側(cè)顯示了從串口3接收NMEA0183格式的GPS導航定位數(shù)據(jù)。

3.2.2 基于網(wǎng)絡通信技術的實現(xiàn)過程
    為實現(xiàn)多客戶機/服務器通信，在服務器端采用多線程技術，負責接收各設備通過串行口發(fā)送的數(shù)據(jù)，等待并監(jiān)聽多個客戶機的連接請求，同時創(chuàng)建一個獨立的線程把接收到的數(shù)據(jù)流發(fā)送到客戶端。
4 多路設備實時通信方式的對比分析
    OBSNavGIS系統(tǒng)中，串口通信和網(wǎng)絡通信都能滿足系統(tǒng)的需求，本文設計是集合以上兩種方式的通信方式。表1為三種通信方式的簡單比較。

    串口通信的優(yōu)勢在于成本低、簡捷靈活、硬件接口簡單、編程難度相對小，適合點對點的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，但對于實時性要求高或遠距離時不適合采用串口通信。TCP網(wǎng)絡通信傳輸距離理論上無限制，易于進行遠程管理，但成本高[8]。將上述兩種通信方式集成的通信技術結(jié)合了串口和TCP網(wǎng)絡通信的優(yōu)點，有效避免了缺陷，更適合實際作業(yè)中根據(jù)具體情況進行合理的選擇，從而達到資源利用的最大化，提高了效率。
    針對單一的通信技術不能滿足水下測量導航的應用需求，本文設計并實現(xiàn)了OBS導航定位的多路設備實時通信模塊，集成了串口和TCP網(wǎng)絡兩種通信技術，為海洋調(diào)查提供了準確、多樣化的科研數(shù)據(jù)，同時對兩種通信方式進行了簡單的分析和比較。優(yōu)化通信時延處理是提升信息采集整體質(zhì)量和系統(tǒng)高效穩(wěn)定的關鍵，今后將進一步對該技術進行研究，以提高通信時延和系統(tǒng)的實時性，優(yōu)化海洋定位系統(tǒng)的效率。
參考文獻
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