伴隨著海洋開發過程中人們對海量信息需求的日益多樣化，傳統海洋測繪體系已轉變為數字化測繪技術體系，海洋綜合導航定位系統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調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查船拖曳震源觸發放炮后的縱橫波信息,實現對海底深部構造的探測[2]。

    OBS布設導航定位系統(OBSNavGIS)是集數據實時采集、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，通信模塊是整個系統的重要組成部分，其實時性、準確性和穩定性直接影響導航定位系統的性能。目前國內外大多數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，繁瑣的串口參數配置和雜亂的線路布設極大地影響了作業效率和作業環境。隨著Internet技術的迅猛發展，網絡通信技術應用于工業的可行性大大加強，在導航領域，網絡通信技術能夠有效地彌補傳統串行通信技術的不足，實現數據的遠程傳輸，發展前景廣闊。
    本文設計并實現了支持TCP網絡通信，同時兼容傳統串口通信的OBSNavGIS設備通信模塊，以此實現對多源數據的實時采集、多設備的統一管理，以及長時間的連續監測，為海洋布設導航過程提供全面可靠的數據。

1 OBS布設導航定位系統
    OBSNavGIS是集數據實時采集、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，該系統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。系統采用層次化的體系架構，主要分為表現層、業務層、數據層。表現層主要負責電子海圖的顯示和OBS投放觀測;業務層涵蓋了對設備的管理和OBS投放控制;數據層主要負責底層數據訪問和硬件交互。軟件架構如圖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，也是整個系統中最基礎、最核心的單元。主要由數據層的通信構件和業務層的設備管理模塊構成。其中通信構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據，為上層的設備管理提供基本的數據訪問支持。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據，提供有效的同步機制，協調多線程的并行；
　 (2)建立基于TCP/IP通信協議的客戶端與服務器端的網絡連接，控制客戶端的數據訪問；
　 (3)解析多路設備的數據。提供不同設備的解析驅動，對不同設備數據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一管理。主要包括以下功能：
　(1)構建抽象的設備對象，提供統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系統中串口通信是指用戶通過計算機串口實現計算機應用程序(OBSNavGIS)與多路設備之間的通信。串口均是按位進行數據發送和接收[5]。OBSNavGIS的外設通過RS232串口與主機相連,外設有：GPS(含DGPS)、羅經、OBS以及水深儀。
2.2.2 網絡通信硬件連接設計
　OBSNavGIS系統中TCP網絡通信主要負責接收遵循TCP/IP通信協議的網絡數據，需要借助多串口轉網關[6]將串口設備通過標準TCP/IP協議接入Internet。多串口轉網關的主要作用是把串口數據流轉換成以太網數據流。
　本系統中，采用RS232通信接口將DGPS（船位）、水下OBS(水下定位)等NMEA-0183[7]格式數據，船艏向、水深等定位數據接入導航接口單元，并將數據通過網線發送給系統。
3 多路設備實時通信模塊的實現
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對象繼承和多態機制，并將其封裝起來，屏蔽業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,實現一體化組織和管理，增強了系統的可維護性。

    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形式。CSerialDev和CTCPSocket都將具體實現底層通信構件類CSerialWithBuffer和CTCPSocket，增強了系統的可擴展性。
3.1.2 串口通信技術的應用
    OBSNavGIS串口通信構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，將串口數據的采集存儲和讀取處理分置到串口監視線程和入庫線程中。
3.1.3 TCP網絡通信的應用
    OBSNavGIS系統中TCP網絡通信分為服務器和客戶端兩部分，OBSNavGIS系統作為客戶端，用類CTcpSocket實現與服務器端的交互，CTcpSocket對Windows Socket API進行了封裝，其中包含一個CDateBuffer類型的數據緩沖區。進行網絡連接時，調用CTcpSocket的Connect（）向服務器端發出連接請求，連接后調用StartReciving（）向服務器發送讀設備數據請求，并啟動數據監聽線程。客戶端收到數據后存入緩沖區，并借助回調函數[7]通知主程序讀取數據。
3.2 具體實現
　 在Window平臺上，使用VS2010開發OBSNavGIS系統的各個模塊。
3.2.1 基于串口通信技術的實現過程
　 串口讀取數據的基本工作流程為：
　 (1)調用CSerialWithBuffe的Setup（）方法初始化。
　 (2)調用Open（）開啟串口，然后依次調用StartListener（）啟動串口監測線程，WaitEvent（）對串口上發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（）將數據寫入緩沖，并以消息方式通知主程序進行數據處理。
    (3)調用Close（）StopListener（）關閉串口監聽線程。
    添加串口通信設備的對話框如圖3所示，圖右側顯示了從串口3接收NMEA0183格式的GPS導航定位數據。

3.2.2 基于網絡通信技術的實現過程
    為實現多客戶機/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送的數據，等待并監聽多個客戶機的連接請求，同時創建一個獨立的線程把接收到的數據流發送到客戶端。
4 多路設備實時通信方式的對比分析
    OBSNavGIS系統中，串口通信和網絡通信都能滿足系統的需求，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，適合點對點的數據通信系統，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合了串口和TCP網絡通信的優點，有效避免了缺陷，更適合實際作業中根據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網絡兩種通信技術，為海洋調查提供了準確、多樣化的科研數據，同時對兩種通信方式進行了簡單的分析和比較。優化通信時延處理是提升信息采集整體質量和系統高效穩定的關鍵，今后將進一步對該技術進行研究，以提高通信時延和系統的實時性，優化海洋定位系統的效率。
參考文獻
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[4] 梁偉,等.Visual C++網絡編經典案例詳解[M].北京：清華大學出版社，2010.
[5] 龔建偉,熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[M].電子工業出版社, 2004.
[6] 馮正,韓焱,王黎明.多線程串口通信技術在GPS導航中的應用[J].現代電子技術, 2009,292(5):28-33.
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[8] 常國春，史金飛，羅翔． Windows與Linux串口通信和網絡通信的比較和研究[J]．中國制造業信息化,2006,35(7):49-52.