基于Nios II和“北斗”一代的氣象災害預警信息接收終端設計?

文斌，李佶學，趙建，陳愛萍

基于Nios II和“北斗”一代的氣象災害預警信息接收終端設計?

文斌，李佶學，趙建，陳愛萍

（成都信息工程學院通信工程學院，成都610225）

為了解決廣大偏遠山區氣象災害預警信息接收的“盲區”和供電困難的問題，提出一種基于Nios II和“北斗”一代的氣象災害預警信息接收終端設計方案。采用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240和一體化的“北斗”一代射頻單收芯片RNC2410，有效降低了終端的成本、體積與功耗。同時利用Nios II軟核處理器，通過軟件設計實現終端正確接收預警信息和報警。該方法已成功運用于山區洪災與泥石流頻發地區預警信息的接收。

“北斗”一代；災害預警；信息接收終端；Nios II；低功耗

1 引言

偏遠的農村地區不僅是氣象預警信息發布的“盲區”，也是災害防御的薄弱地區。在信息接收終端設計時，信息的準確接收、終端的使用成本、電源供給都是主要考慮的問題。目前，主要有以下兩種解決方案。一是利用無線廣播信號傳送語音和文字信息，接收終端不僅有聲音報警，還有文字顯示。這種方案終端的體積小，價格低，可直接用干電池供電，幾乎每個農家都有能力配備。但遠距離的無線廣播信號采用AM調制技術的長波、中波或短波的形式來傳播，這種傳播信號的方式很容易受到晝夜、季節、太陽黑子運動等因素的干擾，造成信號幅度的改變。因此，在山區此方案接收信息的穩定性、可靠性得不到很好的保證。二是利用無線移動通信網絡，通過手機短信平臺進行預警信息發布，這種方案使用成本和發布成本都是最低廉的一種，但這種方案只適合在人口稠密地區使用，在偏遠的山區依然存在很大的信號“盲區”。以上兩種方案雖然很好地解決了電源供給和使用成本的問題，但應用范圍嚴格受到限制，同時也不能完全解決山區預警信號有效覆蓋的問題。

針對上述問題，本文提出一種基于Nios II和“北斗”一代的氣象災害預警信息接收終端設計方案。該方案以“北斗”一代系統作為氣象災害預警信息的發布平臺，用戶通過“北斗”一代信息接收終端接收預警信息［1］。終端硬件采用邏輯密度高的Cyclone II系列EP1C12Q240芯片和“北斗”射頻單收芯片RNC2410為主進行設計，其終端功耗低、體積小、成本低，有利于大面積推廣使用。與現有的方案相比，本方案具有如下優點：第一，利用“北斗”通信覆蓋能力強的特點，有效解決了預警信息發布覆蓋“盲區”；第二，利用“北斗”系統的健壯性、可靠性，在災害發生后，“北斗”信息接收終端又可作為其他預警系統的輔助系統；第三，硬件設計采用Nios II軟核處理器的設計方案，大大降低了終端的體積與功耗，采用太陽能供電，有效解決了電源供給問題，同時也降低了終端的成本，為氣象災害預警信息及時進村入戶創造了有利條件。

2 終端硬件實現原理

利用“北斗”一代系統設計的預警信息接收終端，由于應用環境和成本的考慮終端只有信息接收功能，沒有發送功能，這樣降低了終端所需的功耗和FPGA所需的邏輯門級數。其終端設計采用RN2410和EP1C12Q240為核心的雙芯片方案。通過EP1C12Q240內置Nios II軟核處理器和移植UC／OS -II操作系統完成應用程序的設計。應用程序主要實現預警信息的接收、信息的存儲、顯示、音頻報警、電源管理、硬件監視等功能。

終端硬件實現原理如圖1所示。在圖1中，RNC2410為“北斗”一代射頻單收芯片，采用標準的SPI接口輸出數據。芯片集成了接收通道所有模塊和頻率綜合器。接收通道既可以提供模擬信號輸出，又可以提供ADC采樣后的量化信號輸出，并可提供采樣時鐘輸出，采用片外少量的外圍器件就可以實現“北斗”用戶機的接收功能。EP1C12Q240為核心處理芯片，它主要完成的功能包括衛星信號的二維捕獲、數據解調、載波相位與碼相位的跟蹤，以及輸入、輸出控制等［2-3］。

圖1 終端硬件組成原理圖Fig.1 The general structure of terminal hardware

EP1C12Q240芯片中，除SIM卡接口電路通過硬件描述語言自己編寫外，其余接口電路的IP核均來自于SOPC Builder軟件。其中配置芯片接口采用ASMI EPCS4系列，與之相連的Flash存儲空間中有如下內容：一部分是FPGA的配置文件，另一部分作為常規程序存儲器用。采用此方案可以省去片外專門的程序存儲Flash，充分利用了配置芯片的資源［4-5］。

3 軟件設計

3.1數據傳輸協議

氣象災害預警信息接收終端數據傳輸協議如圖2所示，系統幀頭數據、發送目的地址、系統幀尾數據均為“北斗”系統所要求的數據段，嚴格按照其通信協議要求組織數據。幀號+數據類型占一個字節寬度，幀號占高4位，編號為0～15。數據類型占低4位，可根據需要對數據進行分類［6］。

圖2 數據傳輸協議Fig.2 Data transport protocol

3.2終端的軟件設計

軟件設計采用UC／OS-II實時多任務操作系統。根據Altera公司提供的操作系統移植文檔，很容易將UC／OS-II移入Nios II處理器中。在UCOS操作系統中，主要設計有以下幾個任務［7-8］：一是通信鏈路監視任務，通過定時接收“北斗”系統的廣播信息來判定通信鏈路是否正常，如在規定的時間內沒有收到“北斗”廣播信息就向用戶發出終端硬件有錯的報警；二是報警輸出任務，當收到氣象預警信息后，根據不同的情況進行報警；三是數據接收處理任務，對接收到的數據進行解幀，得到原始的數據流；四是顯示任務，完成人機界面功能；五是系統監控任務，對整個系統的工作狀態進行監視。

3.2.1終端通信鏈路工作狀態的監視程序流程

“北斗”一代系統廣播信息每31.25 ms一幀，連續不斷地發送。一條完整的廣播信息被安排在1 min內，幀號從1～1 920內不同的號段內重復發送。在接收終端，每分鐘都能正確收到一條完整的廣播信息。如果終端在連續2 min內沒有正確收到廣播信息，說明終端的通信功能不正常，采用聲音向用戶報警。同時，終端正常工作時，具有語音報時功能，用戶根據不同的聲音來判斷終端的工作狀況，其廣播信息接收及報警程序實現算法流程如圖3所示。

圖3 通信鏈路工作狀態監視程序流程Fig.3 Flowchart of communications link work state monitor process

3.2.2氣象預警信息接收數據程序流程

經終端天線收到的“北斗”信號送入40 dB的低噪放大器放大，然后送入射頻接收芯片RNC2410進行下變頻處理轉換成中頻信號，再經A／D量化后輸出送入EP1C12Q240中完成捕獲、跟蹤、解調、幀同步等功能，提取通信電文，然后將電文送入Nios II中進行數據解幀得到氣象預警信息。根據預警信息定義的規則進行報警與顯示，其程序實現算法如圖4所示。

圖4 信息接收數據程序流程Fig.4 The program flow of warning information receiving

4 測試

報警終端主要完成災害預警信息的接收、通信鏈路監視、報警等主要功能。為了便于測試與分析，在終端中運行一個測試程序。在測試過程中將“北斗”信號快捕失敗、接收解算錯誤與定時時間到沒有收到數據均作數據丟失處理。為了便于對比分析，在另一個“北斗”發送終端中每30 s發送“111111111111111111111111”和“今天天氣真好”兩幀數據，并且交替循環發送。在測試程序中統計接收到的數據的總幀數、丟失數據的總幀數等相關參數，并通過串行口發送給PC機。同時，數據發送終端與接收終端的時鐘均與“北斗”時鐘同步。

在PC機中運行一個監視程序顯示接收終端數據接收情況，運行界面如圖5所示，其數據接收區為預警信息接收內容。衛星信號強度指示條最多為4條，只要信號強度指示有1條以上都能進行通信。右邊為接收情況統計結果。為了測試終端在接收信號強弱不同的情況下數據發送的情況，通過改變終端接收天線的位置和方向進行測試，其測試結果如表1所示。

圖5 數據接收監視結果Fig.5 The monitoring result of data receiving

表1 不同信號強度下網關通信情況Table 1 The communication state of gateway in different signal strength

從表1中可看出，在不同信號強度下，經過12 h的連續測試，當接收信號強度在2個指示條以上時，均能達到98%的成功率；當只有1個信號指示條時，如有信號指示條閃斷表明接收信號不穩定，數據丟失和CRC檢驗錯誤的幀數增加，其數據接收的成功率就降低了。

5 結論

通過長時間的測試證明終端信息接收是穩定、可靠的。盡管終端只收不發，但利用“北斗”系統定時發送廣播信號，可正確監視終端通信鏈路和工作狀態是否穩定，一旦發現終端不能正確接收“北斗”信號就及時報警。為了加大數據發送的成功率要求發送信息每次都用“北斗”系統定義的短幀發送，而不用其定義的超幀進行發送。終端采用太陽能電池供電，成本較低，可在山村以組為單位進行大面積布點，為國家提出的到2015年氣象災害預警信息公眾覆蓋率達到90%以上，到2020年，建成功能齊全、科學高效、覆蓋城鄉和沿海的氣象災害監測預警系統，基本消除預警信息發布“盲區”的目標打下堅實的基礎。

［1］劉堯成，華小軍，韓友平.北斗衛星通信在水文測報數據傳輸中的應用［J］.人民長江，2007，38（10）：120-121.

LIU Yao-chen，HUA Xiao-jun，HAN You-ping.Application of Beidou Satellite Communication in Hydrological Data Acquisition and Transmission System［J］.Yangtze River，2007，38（10）：120-121.（in Chinese）

［2］朱斌.基于嵌入式微處理器的GPS跟蹤報警系統設計［J］.電訊技術，2010，50（4）：88-91.

ZHU Bin.Design of a GPS Tracking Alarm System Based on Embedded Microprocessor［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（4）：88-91.（in Chinese）

［3］徐勁松，嚴迎建，劉凱，等.基于SOPC的GPS信息加密傳輸系統［J］.計算機工程與設計，2011，32（3）：830-833.

XU Jing-song，YAN Ying-jian，LIU Kai，et al.Design of GPS Data encryption communication system based on SOPC［J］.Computer Engineering and Design，2011，32（3）：830-833.（in Chinese）

［4］王學寶.基于Nios II的智能CAN模塊設計［J］.計算機工程與設計，2011，32（3）：879-882.

WANG Xue-bao.Design of Intelligent CAN Module based on Nios II［J］.Computer Engineering and Design，2011，32（3）：879-882.（in Chinese）

［5］魏敬法，胡永輝，李滾.基于SOPC的擴頻接收機設計與實現［J］.計算機工程，2009，35（18）：224-226.

WEI Jing-fa，HU Yong-hui，LI Gun.Design and implementation of spread-spectrum Receiver Based on SOPC［J］. Computer Engineering，2009，35（18）：224-226.（in Chinese）

［6］文斌，寧志強，陳愛萍，等.多SIM卡復用的北斗通信終端設計［J］.電訊技術，2010，50（12）：23-27.

WEN Bin，NING Zhi-qiang，CHEN Ai-ping，et al.Design of Beidou communication terminal using multi-SIM cards multiplexing［J］.Telecommunication Engineering，2010，50（12）：23-27.（in Chinese）

［7］竇建華，張宣，江鵬，等.基于μC／OS-Ⅱ的北斗導航接收機設計［J］.微計算機信息，2008，24（29）：71-74.

DOU Jian-hua，ZHANG Xuan，JIANG Peng，et al.A Design of Beidou Navigation System Receiver Based onμC／OS-Ⅱ［J］. Microcomputer Information，2008，24（29）：71-74.（in chinese）

［8］劉明波，孫永燦，耿文建.基于UC／OS-Ⅱ的嵌入式網絡監控系統的設計與實現［J］.計算機工程與設計，2010，31（24）：5211-5215.

LIU Ming-bo，SUN Yong-can，GEN Wen-jian.Design and implementation of embedded net watching and commanding system based on UC／OS-II［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（24）：5211-5215.（in Chinese）

WEN Bin was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1970.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns development of communication product and embedded product.

Email：bwen＠cuit.edu.cn

李佶學（1991—），男，四川眉山人，主要從事無線與移動通信研發；

LI Ji-xue was born in Meishan，Sichuan Province，in 1991.His research concerns R＆D of wireless and mobile communication product.

趙建（1979—），男，四川成都人，2009年獲碩士學位，現為講師，主要從事通信產品以及嵌入式產品的開發；

ZHAO Jian was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1979. He received the M.S.degree in 2009.He is now a lecturer.His research concerns development of communication product and embedded product.

陳愛萍（1964—），女，四川成都人，1988年獲碩士學位，現為副教授，主要研究方向為無線通信與射頻技術。

CHEN Ai-ping was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1964.She received the M.S.degree in 1988.She is now an associate professor.Her research interests include wireless communication and radio frequency technology.

Design of Early-warning Information Receiving Terminal Based on Nios II and Beidou First Generation System

WEN Bin，LI Ji-xue，ZHAO Jian，CHEN Ai-ping
（Department of Communication Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Based on Nios II and Beidou first generation system，a meteorological disaster warning information receiving terminal design scheme is proposed to deal with problems of receiving early-warning information in the majority of remote mountain where information receiving blind spot exists and power supply is difficult.By adopting FPGA EP1C12Q240 and RNC2410 RF chip，the cost，size and power consumption of the warning information receiving terminal hardware are reduced.At the same time，by using Nios II soft-core processor，this terminal can realize correct receiving early-warning information and alarm through software design.This method has been successfully applied in receiving early-warning information in mountain floods and debris flow-prone areas.

Beidou first generation system；disaster warning；information receiving terminal；Nios II；low power consumption

The Natural Science and Technological Development Fund of Chengdu University of Information Technology（CSRF200805）

TN967.1；TN802

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.05.036

文斌（1970—），男，四川成都人，2007年獲碩士學位，現為副教授，主要從事通信產品以及嵌入式產品的開發；

1001-893X（2012）05-0786-04

2011-09-28；

2012-02-21

成都信息工程學院自然科學與技術發展基金資助項目（CSRF200805）