2024年9月17日发(作者：巩易槐)
第５２卷第５期
２０１２年５月
电讯技术
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇａｎｅｃｒｉｎｇ
Ｖｏ１．５２ Ｎ０．５
Ｍａｙ ２０１２
文章编号：１００１—８９３Ｘ（２０１２）０５—０７８６—０４
基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害
预警信息接收终端设计
文 斌，李佶学，赵 建，陈爱萍
（成都信息工程学院通信工程学院，成都６１０２２５）
摘 要：为了解决广大偏远山区气象灾害预警信息接收的“盲区”和供电困难的问题，提出一种基于
Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计方案。采用Ａｈｅｍ公司Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的
ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０和一体化的“北斗”一代射频单收芯片ＲＮＣ２４１０，有效降低了终端的成本、体积与功耗。
同时利用Ｎｉｏｓ ＩＩ软核处理器，通过软件设计实现终端正确接收预警信息和报警。该方法已成功运用
于山区洪灾与泥石流频发地区预警信息的接收。
关键词：“北斗”一代；灾害预警；信息接收终端；Ｎｉｏｓ ＩＩ；低功耗
中图分类号：ＴＮ９６７．１；ＴＮ８０２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８９３ｘ．２０１２．０５．０３６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ｔｅｒｍｉｎａｌ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｉｏｓ ＩＩ ａｎｄ Ｂｅｉｄｏｕ Ｆｉｒｓｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ＷＥＮ Ｂｉｎ，ＬＩ 一 ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ Ａｉ－ｐｉｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆ ｏＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０２２５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｉｏｓ ＩＩ ａｎｄ Ｂｅｉｄｏｕ ｆｉｒｓｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅ－
ｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｒｆｌａ—
ｊｏｒｉｙｔ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｗｈｅｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｂｌｉｎｄ ｓｐｏｔ ｅｘｉｓｔｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ．Ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ
ＦＰＧＡ ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０ ａｎｄ ＲＮＣ２４１０ ＲＦ ｃｈｉｐ，ｔｈｅ ｃｏｓｔ，ｓｉｚｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｗａｒｔｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅ－
ｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｍａｉｎａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｌｅ 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 ｓｕｅ—
ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅａｒｌｙ—ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｍｍｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｆｌｏｏｄｓ ａｎｄ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ—ｐｒｏｎｅ ａＨ潞．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｅｉｄｏｕ ｆｉｒｓｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｉｓａｓｔｅｒ ｗａｒｎｉｎｇ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ；Ｎｉｏｓ ＩＩ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ
ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
供给都是主要考虑的问题。目前，主要有以下两种
１ 引 言
偏远的农村地区不仅是气象预警信息发布的
解决方案。一是利用无线广播信号传送语音和文字
信息，接收终端不仅有声音报警，还有文字显示。这
“盲区”，也是灾害防御的薄弱地区。在信息接收终
端设计时，信息的准确接收、终端的使用成本、电源
种方案终端的体积小，价格低，可直接用干电池供
电，几乎每个农家都有能力配备。但远距离的无线
＊收稿日期：２０１１—０９—２８；修回日期：２０１２—０２—２１
基金项目：成都信息工程学院自然科学与技术发展基金资助项目（ＣＳＲ跚
（ＣＳＲＦ２００８０５）
８ｏ５）
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｉｔｅｍ：Ｔｈｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｆｕｎｄ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄａ Ｕｎｊｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
第５２卷 文斌等：基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计 第５期
广播信号采用ＡＭ调制技术的长波、中波或短波的
形式来传播，这种传播信号的方式很容易受到昼夜、
季节、太阳黑子运动等因素的干扰，造成信号幅度的
改变。因此，在山区此方案接收信息的稳定性、可靠
性得不到很好的保证。二是利用无线移动通信网
络，通过手机短信平台进行预警信息发布，这种方案
使用成本和发布成本都是最低廉的一种，但这种方
案只适合在人口稠密地区使用，在偏远的山区依然
存在很大的信号“盲区”。以上两种方案虽然很好地
解决了电源供给和使用成本的问题，但应用范围严
格受到限制，同时也不能完全解决山区预警信号有
效覆盖的问题。
针对上述问题，本文提出一种基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和
“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计方
案。该方案以“北斗”一代系统作为气象灾害预警信
息的发布平台，用户通过“北斗”一代信息接收终端
接收预警信息…。终端硬件采用逻辑密度高的ｃｙ—
ｃｌｏｎｅ ＩＩ系列ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０芯片和“北斗”射频单收 笆：
片ＲＮＣ２４１０为主进行设计，其终端功耗低、体积小、
成本低，有利于大面积推广使用。与现有的方案相
比，本方案具有如下优点：第一，利用“北斗”通信覆
盖能力强的特点，有效解决了预警信息发布覆盖“盲
区”；第二，利用“北斗”系统的健壮性、可靠性，在灾
害发生后，“北斗”信息接收终端又可作为其他预警
系统的辅助系统；第三，硬件设计采用Ｎｉｏｓ ＩＩ软核
处理器的设计方案，大大降低了终端的体积与功耗，
采用太阳能供电，有效解决了电源供给问题，同时也
降低了终端的成本，为气象灾害预警信息及时进村
人户创造了有利条件。
２终端硬件实现原理
利用“北斗”一代系统设计的预警信息接收终
端，由于应用环境和成本的考虑终端只有信息接收
功能，没有发送功能，这样降低了终端所需的功耗和
ＦＰＧＡ所需的逻辑门级数。其终端设计采用ＲＮ２４１０
和ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０为核心的双芯片方案。通过
ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０内置Ｎｉｏｓ ＩＩ软核处理器和移植ＵＣ／ＯＳ
—
ＩＩ操作系统完成应用程序的设计。应用程序主要
实现预警信息的接收、信息的存储、显示、音频报警、
电源管理、硬件监视等功能。
终端硬件实现原理如图１所示。在图１中，
ＲＮＣ２４１０为“北斗”一代射频单收芯片，采用标准的
ＳＰＩ接口输出数据。芯片集成了接收通道所有模块
和频率综合器。接收通道既可以提供模拟信号输
出，又可以提供ＡＤＣ采样后的量化信号输出，并可
提供采样时钟输出，采用片外少量的外围器件就可
以实现“北斗”用户机的接收功能。ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０为
核心处理芯片，它主要完成的功能包括卫星信号的
二维捕获、数据解调、载波相位与码相位的跟踪，以
及输入、输出控制等【 －３Ｊ。
图１终端硬件组成原理图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａ］ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｅｍａｉｎａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ
ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０芯片中，除ＳＩＭ卡接口电路通过硬
件描述语言自己编写外，其余接口电路的ＩＰ核均来
自于ＳＯＰＣ Ｂｕｉｌｄｅｒ软件。其中配置芯片接口采用
ＡＳＭＩ ＥＰＣＳ４系列，与之相连的Ｆｌａｓｈ存储空间中有
如下内容：一部分是ＦＰＧＡ的配置文件，另一部分作
为常规程序存储器用。采用此方案可以省去片外专
门的程序存储Ｆｌａｓｈ，充分利用了配置芯片的资
源［４—５ｌ
３软件设计
３．１数据传输协议
气象灾害预警信息接收终端数据传输协议如图
２所示，系统帧头数据、发送目的地址、系统帧尾数据
均为“北斗”系统所要求的数据段，严格按照其通信协
议要求组织数据。帧号＋数据类型占一个字节宽度，
帧号占高４位，编号为０～１５。数据类型占低４位，可
根据需要对数据进行分类＿６Ｊ。
帧号＋数据ｌ预警区域ｌ预警信息Ｉ其他信
类型（１Ｂ）Ｉ代码（２Ｂ）Ｉ代码（２Ｂ）ｌ息（８Ｂ）
系统帧头数据ｌ 接收地址 Ｉ ＤＡＴＡ ｌ系统帧尾数据
图２数据传输协议
Ｆｉｇ．２ Ｄａｔａ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ
３．２终端的软件设计
软件设计采用ＵＣ／ＯＳ—ＩＩ实时多任务操作系
・
７８７・
ｗ，ｃ０￣ｃｑ．ｔｅｌｅｏｎｌｉｎｅ．ｅｉｌ 电讯技术 ２０１２年
统。根据Ａｈｅｒａ公司提供的操作系统移植文档，很
容易将ＵＣ／ＯＳ—ＩＩ移人Ｎｉｏｓ ＩＩ处理器中。在ＵＣＯＳ
操作系统中，主要设计有以下几个任务［ ］：一是通
信链路监视任务，通过定时接收“北斗”系统的广播
信息来判定通信链路是否正常，如在规定的时间内
没有收到“北斗”广播信息就向用户发出终端硬件有
错的报警；二是报警输出任务，当收到气象预警信息
后，根据不同的情况进行报警；三是数据接收处理任
务，对接收到的数据进行解帧，得到原始的数据流；
四是显示任务，完成人机界面功能；五是系统监控任
务，对整个系统的工作状态进行监视。
３．２．１终端通信链路工作状态的监视程序流程
“北斗”一代系统广播信息每３１．２５盥一帧，连续
不断地发送。一条完整的广播信息被安排在１ ｍｉｎ
内，帧号从１～１ ９２０内不同的号段内重复发送。在接
收终端，每分钟都能正确收到一条完整的广播信息。
如果终端在连续２ ｍｉｎ内没有正确收到广播信息，说
明终端的通信功能不正常，采用声音向用户报警。同
时，终端正常工作时，具有语音报时功能，用户根据不
同的声音来判断终端的工作状况，其广播信息接收及
报警程序实现算法流程如图３所示。
开始
从接Ｉ￣｛ＦＩＦＯ中读取一
帧信息，并取出帧号
据不同的帧号组
不同的广播信息
驱
图３通信链路工作状态监视程序流程
Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｌｉｎｋ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓ
３．２．２气象预警信息接收数据程序流程
经终端天线收到的“北斗”信号送入４０ ｄＢ的低
噪放大器放大，然后送人射频接收芯片ＲＮＣ２４１０进
行下变频处理转换成中频信号，再经Ａ／Ｄ量化后输
出送入ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０中完成捕获、跟踪、解调、帧同
步等功能，提取通信电文，然后将电文送人Ｎｉｏｓ ＩＩ
中进行数据解帧得到气象预警信息。根据预警信息
定义的规则进行报警与显示，其程序实现算法如图
４所示。
・
７８８・
开始
塑壁：
—
Ｙ
图４信息接收数据程序流程
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ｏｆｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ
４测试
报警终端主要完成灾害预警信息的接收、通信
链路监视、报警等主要功能。为了便于测试与分析，
在终端中运行一个钡４试程序。在测试过程中将“北
斗”信号快捕失败、接收解算错误与定时时间到没有
收到数据均作数据丢失处理。为了便于对比分析，
在另一个“北斗”发送终端中每３０ ｓ发送
“１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１ｌ”和“今天天气真好”两
帧数据，并且交替循环发送。在测试程序中统计接
收到的数据的总帧数、丢失数据的总帧数等相关参
数，并通过串行口发送给ＰＣ机。同时，数据发送终
端与接收终端的时钟均与“北斗”时钟同步。
在ＰＣ机中运行一个监视程序显示接收终端数
据接收情况，运行界面如图５所示，其数据接收区为
预警信息接收内容。卫星信号强度指示条最多为４
条，只要信号强度指示有１条以上都能进行通信。
右边为接收情况统计结果。为了测试终端在接收信
号强弱不同的情况下数据发送的情况，通过改变终
端接收天线的位置和方向进行测试，其测试结果如
表１所示。
图５数据接收监视结果
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｉｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄａｔａ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ
第５２卷 文斌等：基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计 第５期
表１ 不同信号强度下网关通信情况
Ｔａｂｌｅ ｌ １ｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｇａｔｅｗａｙ ｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｉｎｇ￣ｓ￣，ｖｈ
从表１中可看出，在不同信号强度下，经过１２ ｈ
的连续测试，当接收信号强度在２个指示条以上时，
均能达到９８％的成功率；当只有１个信号指示条
时，如有信号指示条闪断表明接收信号不稳定，数据
丢失和ＣＲＣ检验错误的帧数增加，其数据接收的成
功率就降低了。
５结论
通过长时间的测试证明终端信息接收是稳定、可
靠的。尽管终端只收不发，但利用“北斗”系统定时发
送广播信号，可正确监视终端通信链路和工作状态是
否稳定，一旦发现终端不能正确接收“北斗”信号就及
时报警。为了加大数据发送的成功率要求发送信息
每次都用“北斗”系统定义的短帧发送，而不用其定义
的超帧进行发送。终端采用太阳能电池供电，成本较
低，可在山村以组为单位进行大面积布点，为国家提
出的到２０１５年气象灾害预警信息公众覆盖率达到
９０％以上，到２０２０年，建成功能齐全、科学高效、覆盖
城乡和沿海的气象灾害监测预警系统，基本消除预警
信息发布“盲区”的目标打下坚实的基础。
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２０１０，３１（２４）：５２１１—５２１５．
ＬＩＵＭｉｎｇ—ｂｏ，ＳＵＮ Ｙｏｎｇ—ｃｎａ，ＧＥＮ Ｗｅｎ—ｊｉｎａ．Ｄｅｓｉｎｇ
ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｎｅｔ ｗａｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｍａｎｄ—
ｉｇｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＣ／ＯＳ—ｌＩ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｎａｄ Ｄｅｓｉｎｇ，２０１０，３１（４２）：５２１１—５２１５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
作者简介：
文斌（１９７ｏ＿＿），男，四川成都人，２Ｏ０７年获硕士学位，
现为副教授，主要从事通信产品以及嵌入式产品的开发；
ＷＥＮ Ｂｉｎ ｗａｓ ｂｏｒｎ ｉｎ Ｃｈｅｕｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｉｎ １９７０．Ｈｅ
ｒｅｃｅｉｖｅｄｔｈｅ Ｍ．Ｓ．ｄｅｇｒｅｅ ｉｎ ２００７．Ｈｅ ｉｓ ｎｏｗ ａｎ ａｓｓｏｃｉａｔｅ ｐｒｏｆｅｓ－
ｓｅｔ．Ｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｅｒｎｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｏｍｍｔｍｉｅａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ
ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ．
Ｅｍａｉｌ：ｂｗｅｎ＠ｃｕｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
李佶学（１９９ｌ一），男，四川眉山人，主要从事无线与移动
通信研发；
Ｕ Ｊｉ—ｘｕｅ ｗａｓ ｂｏｍ ｉｎ Ｍｅｉｓｈａｎ．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．ｉｎ １９９１．Ｈｉｓ
ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｅｒｎｓ Ｒ＆Ｄ ｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓ ａｎｄ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ．
赵建（１９７９＿＿），男，四川成都人，２０Ｏ９年获硕士学位，
现为讲师，主要从事通信产品以及嵌入式产品的开发；
ＺＨＡＯ Ｊｉｎａ ｗａｓ ｂｏｒｎ ｉｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｉｎ １９７９．
Ｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄｔｈｅＭ．Ｓ．ｄｅｇｒｅｅｉｎ ２００９．Ｈｅｉｓ ｎｏｗ ａｌｅｃｔｕｒｅｒ．Ｈｉｓ ｒｅ—
ｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｅｒｎｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｅｍｂｅｄ—
ｄｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ．
陈爱萍（１９６４一），女，四川成都人，１９８８年获硕士学位，
现为副教授，主要研究方向为无线通信与射频技术。
ＣＨＥＮ Ａｉ—ｐｉｎｇ ｗａｓ ｂｏｍ ｉｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｉｎ
１９６４．Ｓｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｔ｝ｌｅ Ｍ．Ｓ．ｄｅｇｒｅｅ ｉｎ １９８８．Ｓｈｅ ｉｓ ｎｏｗ ｎａ ａｓｓｏｃｉ．
ａｔｅ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．Ｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｅａｔｉｏｎ
ｎａｄ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
2024年9月17日发(作者：巩易槐)
第５２卷第５期
２０１２年５月
电讯技术
Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇａｎｅｃｒｉｎｇ
Ｖｏ１．５２ Ｎ０．５
Ｍａｙ ２０１２
文章编号：１００１—８９３Ｘ（２０１２）０５—０７８６—０４
基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害
预警信息接收终端设计
文 斌，李佶学，赵 建，陈爱萍
（成都信息工程学院通信工程学院，成都６１０２２５）
摘 要：为了解决广大偏远山区气象灾害预警信息接收的“盲区”和供电困难的问题，提出一种基于
Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计方案。采用Ａｈｅｍ公司Ｃｙｃｌｏｎｅ系列的
ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０和一体化的“北斗”一代射频单收芯片ＲＮＣ２４１０，有效降低了终端的成本、体积与功耗。
同时利用Ｎｉｏｓ ＩＩ软核处理器，通过软件设计实现终端正确接收预警信息和报警。该方法已成功运用
于山区洪灾与泥石流频发地区预警信息的接收。
关键词：“北斗”一代；灾害预警；信息接收终端；Ｎｉｏｓ ＩＩ；低功耗
中图分类号：ＴＮ９６７．１；ＴＮ８０２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８９３ｘ．２０１２．０５．０３６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ Ｔｅｒｍｉｎａｌ
Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｉｏｓ ＩＩ ａｎｄ Ｂｅｉｄｏｕ Ｆｉｒｓｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ＷＥＮ Ｂｉｎ，ＬＩ 一 ，ＺＨＡＯ Ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ Ａｉ－ｐｉｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆ ｏＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０２２５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｉｏｓ ＩＩ ａｎｄ Ｂｅｉｄｏｕ ｆｉｒｓｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅ－
ｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅａｒｌｙ－ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｒｆｌａ—
ｊｏｒｉｙｔ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｗｈｅｒｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｂｌｉｎｄ ｓｐｏｔ ｅｘｉｓｔｓ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ．Ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ
ＦＰＧＡ ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０ ａｎｄ ＲＮＣ２４１０ ＲＦ ｃｈｉｐ，ｔｈｅ ｃｏｓｔ，ｓｉｚｅ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅ ｗａｒｔｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅ－
ｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｍａｉｎａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｌｅ 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 ｓｕｅ—
ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅａｒｌｙ—ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｍｍｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｆｌｏｏｄｓ ａｎｄ ｄｅｂｒｉｓ ｆｌｏｗ—ｐｒｏｎｅ ａＨ潞．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｅｉｄｏｕ ｆｉｒｓｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｉｓａｓｔｅｒ ｗａｒｎｉｎｇ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ；Ｎｉｏｓ ＩＩ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ
ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
供给都是主要考虑的问题。目前，主要有以下两种
１ 引 言
偏远的农村地区不仅是气象预警信息发布的
解决方案。一是利用无线广播信号传送语音和文字
信息，接收终端不仅有声音报警，还有文字显示。这
“盲区”，也是灾害防御的薄弱地区。在信息接收终
端设计时，信息的准确接收、终端的使用成本、电源
种方案终端的体积小，价格低，可直接用干电池供
电，几乎每个农家都有能力配备。但远距离的无线
＊收稿日期：２０１１—０９—２８；修回日期：２０１２—０２—２１
基金项目：成都信息工程学院自然科学与技术发展基金资助项目（ＣＳＲ跚
（ＣＳＲＦ２００８０５）
８ｏ５）
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｉｔｅｍ：Ｔｈｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｆｕｎｄ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｄａ Ｕｎｊｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
第５２卷 文斌等：基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计 第５期
广播信号采用ＡＭ调制技术的长波、中波或短波的
形式来传播，这种传播信号的方式很容易受到昼夜、
季节、太阳黑子运动等因素的干扰，造成信号幅度的
改变。因此，在山区此方案接收信息的稳定性、可靠
性得不到很好的保证。二是利用无线移动通信网
络，通过手机短信平台进行预警信息发布，这种方案
使用成本和发布成本都是最低廉的一种，但这种方
案只适合在人口稠密地区使用，在偏远的山区依然
存在很大的信号“盲区”。以上两种方案虽然很好地
解决了电源供给和使用成本的问题，但应用范围严
格受到限制，同时也不能完全解决山区预警信号有
效覆盖的问题。
针对上述问题，本文提出一种基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和
“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计方
案。该方案以“北斗”一代系统作为气象灾害预警信
息的发布平台，用户通过“北斗”一代信息接收终端
接收预警信息…。终端硬件采用逻辑密度高的ｃｙ—
ｃｌｏｎｅ ＩＩ系列ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０芯片和“北斗”射频单收 笆：
片ＲＮＣ２４１０为主进行设计，其终端功耗低、体积小、
成本低，有利于大面积推广使用。与现有的方案相
比，本方案具有如下优点：第一，利用“北斗”通信覆
盖能力强的特点，有效解决了预警信息发布覆盖“盲
区”；第二，利用“北斗”系统的健壮性、可靠性，在灾
害发生后，“北斗”信息接收终端又可作为其他预警
系统的辅助系统；第三，硬件设计采用Ｎｉｏｓ ＩＩ软核
处理器的设计方案，大大降低了终端的体积与功耗，
采用太阳能供电，有效解决了电源供给问题，同时也
降低了终端的成本，为气象灾害预警信息及时进村
人户创造了有利条件。
２终端硬件实现原理
利用“北斗”一代系统设计的预警信息接收终
端，由于应用环境和成本的考虑终端只有信息接收
功能，没有发送功能，这样降低了终端所需的功耗和
ＦＰＧＡ所需的逻辑门级数。其终端设计采用ＲＮ２４１０
和ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０为核心的双芯片方案。通过
ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０内置Ｎｉｏｓ ＩＩ软核处理器和移植ＵＣ／ＯＳ
—
ＩＩ操作系统完成应用程序的设计。应用程序主要
实现预警信息的接收、信息的存储、显示、音频报警、
电源管理、硬件监视等功能。
终端硬件实现原理如图１所示。在图１中，
ＲＮＣ２４１０为“北斗”一代射频单收芯片，采用标准的
ＳＰＩ接口输出数据。芯片集成了接收通道所有模块
和频率综合器。接收通道既可以提供模拟信号输
出，又可以提供ＡＤＣ采样后的量化信号输出，并可
提供采样时钟输出，采用片外少量的外围器件就可
以实现“北斗”用户机的接收功能。ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０为
核心处理芯片，它主要完成的功能包括卫星信号的
二维捕获、数据解调、载波相位与码相位的跟踪，以
及输入、输出控制等【 －３Ｊ。
图１终端硬件组成原理图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａ］ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｅｍａｉｎａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ
ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０芯片中，除ＳＩＭ卡接口电路通过硬
件描述语言自己编写外，其余接口电路的ＩＰ核均来
自于ＳＯＰＣ Ｂｕｉｌｄｅｒ软件。其中配置芯片接口采用
ＡＳＭＩ ＥＰＣＳ４系列，与之相连的Ｆｌａｓｈ存储空间中有
如下内容：一部分是ＦＰＧＡ的配置文件，另一部分作
为常规程序存储器用。采用此方案可以省去片外专
门的程序存储Ｆｌａｓｈ，充分利用了配置芯片的资
源［４—５ｌ
３软件设计
３．１数据传输协议
气象灾害预警信息接收终端数据传输协议如图
２所示，系统帧头数据、发送目的地址、系统帧尾数据
均为“北斗”系统所要求的数据段，严格按照其通信协
议要求组织数据。帧号＋数据类型占一个字节宽度，
帧号占高４位，编号为０～１５。数据类型占低４位，可
根据需要对数据进行分类＿６Ｊ。
帧号＋数据ｌ预警区域ｌ预警信息Ｉ其他信
类型（１Ｂ）Ｉ代码（２Ｂ）Ｉ代码（２Ｂ）ｌ息（８Ｂ）
系统帧头数据ｌ 接收地址 Ｉ ＤＡＴＡ ｌ系统帧尾数据
图２数据传输协议
Ｆｉｇ．２ Ｄａｔａ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ
３．２终端的软件设计
软件设计采用ＵＣ／ＯＳ—ＩＩ实时多任务操作系
・
７８７・
ｗ，ｃ０￣ｃｑ．ｔｅｌｅｏｎｌｉｎｅ．ｅｉｌ 电讯技术 ２０１２年
统。根据Ａｈｅｒａ公司提供的操作系统移植文档，很
容易将ＵＣ／ＯＳ—ＩＩ移人Ｎｉｏｓ ＩＩ处理器中。在ＵＣＯＳ
操作系统中，主要设计有以下几个任务［ ］：一是通
信链路监视任务，通过定时接收“北斗”系统的广播
信息来判定通信链路是否正常，如在规定的时间内
没有收到“北斗”广播信息就向用户发出终端硬件有
错的报警；二是报警输出任务，当收到气象预警信息
后，根据不同的情况进行报警；三是数据接收处理任
务，对接收到的数据进行解帧，得到原始的数据流；
四是显示任务，完成人机界面功能；五是系统监控任
务，对整个系统的工作状态进行监视。
３．２．１终端通信链路工作状态的监视程序流程
“北斗”一代系统广播信息每３１．２５盥一帧，连续
不断地发送。一条完整的广播信息被安排在１ ｍｉｎ
内，帧号从１～１ ９２０内不同的号段内重复发送。在接
收终端，每分钟都能正确收到一条完整的广播信息。
如果终端在连续２ ｍｉｎ内没有正确收到广播信息，说
明终端的通信功能不正常，采用声音向用户报警。同
时，终端正常工作时，具有语音报时功能，用户根据不
同的声音来判断终端的工作状况，其广播信息接收及
报警程序实现算法流程如图３所示。
开始
从接Ｉ￣｛ＦＩＦＯ中读取一
帧信息，并取出帧号
据不同的帧号组
不同的广播信息
驱
图３通信链路工作状态监视程序流程
Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｌｉｎｋ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓ
３．２．２气象预警信息接收数据程序流程
经终端天线收到的“北斗”信号送入４０ ｄＢ的低
噪放大器放大，然后送人射频接收芯片ＲＮＣ２４１０进
行下变频处理转换成中频信号，再经Ａ／Ｄ量化后输
出送入ＥＰ１Ｃ１２Ｑ２４０中完成捕获、跟踪、解调、帧同
步等功能，提取通信电文，然后将电文送人Ｎｉｏｓ ＩＩ
中进行数据解帧得到气象预警信息。根据预警信息
定义的规则进行报警与显示，其程序实现算法如图
４所示。
・
７８８・
开始
塑壁：
—
Ｙ
图４信息接收数据程序流程
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ｏｆｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ
４测试
报警终端主要完成灾害预警信息的接收、通信
链路监视、报警等主要功能。为了便于测试与分析，
在终端中运行一个钡４试程序。在测试过程中将“北
斗”信号快捕失败、接收解算错误与定时时间到没有
收到数据均作数据丢失处理。为了便于对比分析，
在另一个“北斗”发送终端中每３０ ｓ发送
“１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１ｌ”和“今天天气真好”两
帧数据，并且交替循环发送。在测试程序中统计接
收到的数据的总帧数、丢失数据的总帧数等相关参
数，并通过串行口发送给ＰＣ机。同时，数据发送终
端与接收终端的时钟均与“北斗”时钟同步。
在ＰＣ机中运行一个监视程序显示接收终端数
据接收情况，运行界面如图５所示，其数据接收区为
预警信息接收内容。卫星信号强度指示条最多为４
条，只要信号强度指示有１条以上都能进行通信。
右边为接收情况统计结果。为了测试终端在接收信
号强弱不同的情况下数据发送的情况，通过改变终
端接收天线的位置和方向进行测试，其测试结果如
表１所示。
图５数据接收监视结果
Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｉｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄａｔａ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ
第５２卷 文斌等：基于Ｎｉｏｓ ＩＩ和“北斗”一代的气象灾害预警信息接收终端设计 第５期
表１ 不同信号强度下网关通信情况
Ｔａｂｌｅ ｌ １ｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｇａｔｅｗａｙ ｉｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｉｎｇ￣ｓ￣，ｖｈ
从表１中可看出，在不同信号强度下，经过１２ ｈ
的连续测试，当接收信号强度在２个指示条以上时，
均能达到９８％的成功率；当只有１个信号指示条
时，如有信号指示条闪断表明接收信号不稳定，数据
丢失和ＣＲＣ检验错误的帧数增加，其数据接收的成
功率就降低了。
５结论
通过长时间的测试证明终端信息接收是稳定、可
靠的。尽管终端只收不发，但利用“北斗”系统定时发
送广播信号，可正确监视终端通信链路和工作状态是
否稳定，一旦发现终端不能正确接收“北斗”信号就及
时报警。为了加大数据发送的成功率要求发送信息
每次都用“北斗”系统定义的短帧发送，而不用其定义
的超帧进行发送。终端采用太阳能电池供电，成本较
低，可在山村以组为单位进行大面积布点，为国家提
出的到２０１５年气象灾害预警信息公众覆盖率达到
９０％以上，到２０２０年，建成功能齐全、科学高效、覆盖
城乡和沿海的气象灾害监测预警系统，基本消除预警
信息发布“盲区”的目标打下坚实的基础。
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ｉｇｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＣ／ＯＳ—ｌＩ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｎａｄ Ｄｅｓｉｎｇ，２０１０，３１（４２）：５２１１—５２１５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
作者简介：
文斌（１９７ｏ＿＿），男，四川成都人，２Ｏ０７年获硕士学位，
现为副教授，主要从事通信产品以及嵌入式产品的开发；
ＷＥＮ Ｂｉｎ ｗａｓ ｂｏｒｎ ｉｎ Ｃｈｅｕｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｉｎ １９７０．Ｈｅ
ｒｅｃｅｉｖｅｄｔｈｅ Ｍ．Ｓ．ｄｅｇｒｅｅ ｉｎ ２００７．Ｈｅ ｉｓ ｎｏｗ ａｎ ａｓｓｏｃｉａｔｅ ｐｒｏｆｅｓ－
ｓｅｔ．Ｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｅｒｎｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｏｍｍｔｍｉｅａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ
ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ．
Ｅｍａｉｌ：ｂｗｅｎ＠ｃｕｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
李佶学（１９９ｌ一），男，四川眉山人，主要从事无线与移动
通信研发；
Ｕ Ｊｉ—ｘｕｅ ｗａｓ ｂｏｍ ｉｎ Ｍｅｉｓｈａｎ．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．ｉｎ １９９１．Ｈｉｓ
ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｅｒｎｓ Ｒ＆Ｄ ｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓ ａｎｄ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ．
赵建（１９７９＿＿），男，四川成都人，２０Ｏ９年获硕士学位，
现为讲师，主要从事通信产品以及嵌入式产品的开发；
ＺＨＡＯ Ｊｉｎａ ｗａｓ ｂｏｒｎ ｉｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｉｎ １９７９．
Ｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｄｔｈｅＭ．Ｓ．ｄｅｇｒｅｅｉｎ ２００９．Ｈｅｉｓ ｎｏｗ ａｌｅｃｔｕｒｅｒ．Ｈｉｓ ｒｅ—
ｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｅｒｎｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ ｅｍｂｅｄ—
ｄｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ．
陈爱萍（１９６４一），女，四川成都人，１９８８年获硕士学位，
现为副教授，主要研究方向为无线通信与射频技术。
ＣＨＥＮ Ａｉ—ｐｉｎｇ ｗａｓ ｂｏｍ ｉｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ｉｎ
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ａｔｅ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．Ｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｅａｔｉｏｎ
ｎａｄ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．