船载自动气象站DTU通信机制及降耗方法探讨

王佳明，宋吉霞，辛文鹏

(威海市气象局，威海264200)

0 引言

船载自动气象站(以下简称船载站)是指安装在船舶上的自动气象站。船载站随船舶移动自动采集航线上实时气象数据，能使用DTU通过无线网络和有线链路向陆地上数据处理中心(以下简称数据中心)传送观测数据，也可接收并转发数据中心发来的控制指令[1，2]。

目前船载站一般同时采用2G/3G/4G DTU与北斗卫星终端2类设备进行数据传输[3，4]。船载站北斗通信终端利用北斗卫星短报文方式，按照设置的固定频次进行数据传输，其功耗基本不受天气状况、信号强弱及盲区影响，比较稳定。船载站的DTU在2G/3G/4G基站信号覆盖区内可保持永久在线，功耗比较稳定。但船舶航行在距离海岸或有2G/3G/4G信号基站的海岛30 n mile(受天气状况影响约有±5 n mile变化)外出现2G/3G/4G信号盲区，或处在2G/3G/4G相邻基站信号边缘的交叉海域时，DTU会因掉线而持续拨号查找2G/3G/4G信号基站进行无线网络连接，拨号进程功耗较大。如果DTU长期处在信号盲区，不断重复拨号会消耗大量电能。当船载站遇上连续大雾或阴雨天时，太阳能供电系统无法为蓄电池提供有效电量补充，其采集器会因蓄电池馈电被切断电力供应而停止工作。因此针对DTU不同工况的功耗情况，研究降耗方法，对保障船载站正常工作具有重要意义。

1 船载站DTU简介

DTU中文名为数据传输单元，是无线DDN数据通信产品。DTU使用TCP或UDP协议，利用运营商无线网络为终端设备和数据处理中心搭建起无线通信链路后，将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据进行传送；具有拨号上网、双向透传、永久在线、参数配置及存储功能。

船载站DTU与采集器直连，可将采集器RS-232或RS-485串口输出的实时观测数据转换为IP数据，再通过无线网络和有线网络传输；也可将接收到的、由数据中心发来的控制指令，经IP数据→串口数据转换后传输给采集器，完成数据或指令双向透传动作[5，6]。

2 船载站DTU通信

2.1 DTU通信组件

DTU通信组件由DTU、信号线(与采集器连接)、天线和SIM卡组成。

2.2 DTU通信路径

船载站采集器将观测数据由RS-232或RS-485口发送给DTU，DTU通过无线网络传送给通信基站，经通信运营商网络和网关进入互联网，数据进行网间交换后，进入数据中心。

2.3 DTU通信状态显示

DTU面板上有PWR(状态灯)、NET(网络灯)和DATA(数据灯)3个LED指示灯。指示灯的亮、灭组合，可显示DTU当前工作状态，指示灯状态释义如表1所示。

表1 DTU指示灯状态释义

2.4 DTU功耗

DTU的DC12 V工作电源由船载站供电系统提供(以宏电H7118 4G DTU为例)，功耗情况如表2所示。

表2 DTU功耗

DTU待机状态(指与数据中心保持在线，除定时发送心跳注册包外，不发送观测数据)平均功耗仅为0.24 W，对于船载站供电系统的电力消耗可忽略不计。向数据中心正常发送数据时(即以1024 B/S发送观测数据)平均功耗约为1.32 W。当2G/3G/4G信号不良时，DTU发送数据会加大信号发射功率，平均工作电流300～480 mA，平均功耗为3.6～5.76 W。

2.5 影响DTU功耗的配置参数

2.5.1 重拨号时间间隔

DTU掉线或通电重启后需重新拨号注册运营商2G/3G/4G网络。若拨号注册失败，则需等待设定的重拨号间隔时间后重新拨号注册。出厂默认间隔时间为60 s。

2.5.2 在线报告时间间隔

在线报告时间间隔又叫心跳注册包发送时间间隔。该参数作用是保持网络链路永久在线。因运营商网关提供的NAT(网络地址翻译)端口映射服务具有很短的时效，故若要维持双向通信须设置DTU定时发送心跳注册包，从而使NAT端口映射继续保持。DTU周期性发送固定格式的心跳注册包到数据中心，数据中心收到心跳注册包后，会对DTU确认信息，从而使DTU与数据中心的链路保持永久连接。在线报告时间间隔取值范围为0～65，535 s或5～65，535 s，出厂默认值为30 s。

2.5.3 最大登录DSC次数

最大登录DSC次数指与数据中心进行IP通道注册(创建)失败后重新尝试登录的次数。其取值范围为1～5次，出厂默认为5次。

2.5.4 重新连接时间间隔

重新连接时间间隔指与数据中心IP通道连接失败后重新连接或下线后重新连接的时间间隔。如果通道异常或空闲下线，DTU会关闭与运营商2G/3G/4G网络连接。当通道异常或下线达到设定的间隔时间后，会重新进行2G/3G/4G网络拨号和IP通道注册(创建)。该时间间隔的取值范围为0～65，535 s，出厂默认值为30 s。

2.6 DTU工作机制

DTU通电后工作流程为：DTU通电后自检→配置参数读取→SIM卡检查→注册运营商2G/3G/4G网络→注册IP网络通道→网络连接保持→DTU数据传输。

在2G/3G/4G网络信号覆盖区，DTU会监测通信链路在线情况。网络连接失败或下线后，会按照上述工作流程重新进行拨号连接。DTU出厂默认重拨号时间间隔为60 s，即每隔60 s重新拨号1次，直到拨号成功，完成2G/3G/4G网络注册。由通信运营商网关进入互联网后进行IP通道注册，即与数据中心(IP地址+端口号)通道建立链接。DTU进行每轮IP通道注册重连接的时间间隔默认为30 s，登录成功并获得回执后，IP通道链接建立。否则等待30 s后进入下一轮IP通道注册链接，链接登录到数据中心最多连续尝试5次。网络通道建立后，DTU按出厂默认30 s时间间隔向数据中心发送固定格式的心跳注册包向，保持DTU与数据中心网络链路永久在线。

3 船载站DTU降耗

DTU进行2G/3G/4G网络拨号、注册时峰值功耗为5.76 W左右，比正常数据传输功耗(1.32 W)大得多。船载站处在2G/3G/4G通信基站信号较弱、两基站信号边缘叠加海域或信号盲区时，DTU会出现频繁掉线、重复拨号的情况。特别是船舶在远离陆地2G/3G/4G信号区航行时，船载站DTU处于掉线状态，其每隔60 s会重复执行1次2G/3G/4G通信拨号、注册动作，每次拨号均消耗峰值功率。如果船载站随船舶在2G/3G/4G网络信号盲区驻留或航行时间较长时，其功耗开销会导致船载站总功耗增大。遇到持续阴雨天时，太阳能充电效率不良或无电力输出，船载站可能会因电力供应不足停止工作。

DTU在待机状态下功耗极低，仅0.24 W。故对重拨号时间间隔、在线报告时间间隔和重新连接时间间隔3个参数值进行重新设置，增大拨号、报告及重新连接等待时间，以延长DTU低功耗待机时间，减少单位时间内网络拨号注册次数，降低功率消耗，达到节能降耗目的。

4 结束语

使用太阳能作为唯一供电方式的船载站，通过改变其DTU部分配置参数的方法降低功耗，在DTU对 2G/3G/4G通信网络(基站+运营商网络)注册拨号这一功率消耗较大进程中降耗效果明显。而在DTU与数据中心建立IP通道注册和链接保持进程中，虽然理论上起到降耗作用，但成效微弱。

因DTU在海上随船舶航行的通信环境存在不确定性，因此配置参数数值的大小仅能凭经验进行设置，时间间隔设置过短则降耗效果不明显，而设置过长则船载站从海上信号不良区(或盲区)进入正常信号区时，DTU仍处在拨号注册间隔时间等待中，导致观测数据不能及时传输。

如果船载站采集器能记录、存储历史航行海域的通信信号不良区，并植入电子海图、GIS和研发相关算法，使采集器根据船载站距岸实时位置和存储的信号不良海域自主选择是否对DTU通电进行数据传输，即可科学地实现船载站DTU降耗和功耗可控目的。