吳 杰 ，周 悅 ，殷 潔 ，楚燈旺 ，郭 威

（1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，三亞 572000）

0 引言

浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?yàn)榻?、湖泊和海洋環(huán)境提供長期、連續(xù)、實(shí)時(shí)和可靠的觀測[1]。隨著科技的發(fā)展，尤其是傳感器技術(shù)的長足進(jìn)步，浮標(biāo)也從以前單一海洋監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的海洋物理、生物、氣候、生物模式等全方位、完備化的實(shí)時(shí)監(jiān)測[2]。海洋數(shù)據(jù)的監(jiān)測發(fā)生了巨大變化，數(shù)據(jù)的精確采集、良好存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)有效的發(fā)送成為衡量浮標(biāo)性能優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。

通常，浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩種：一種浮標(biāo)是采集的信息可實(shí)時(shí)發(fā)送，即采集的數(shù)據(jù)可以立即發(fā)送給岸基系統(tǒng)，浮標(biāo)系統(tǒng)無需對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如漂浮浮標(biāo)和潛標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)；另一種浮標(biāo)是采集信息需存儲(chǔ)，浮上水面后才能發(fā)送，如Argo剖面浮標(biāo)觀測系統(tǒng)，它采用控制單元對各類傳感器的數(shù)據(jù)訪問，并將所讀的數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)，當(dāng)上浮至水面時(shí)通信模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送給岸基系統(tǒng)[3,4]。

針對淺水域水質(zhì)信息獲取，本文設(shè)計(jì)了一種可以監(jiān)測水域剖面數(shù)據(jù)的定點(diǎn)剖面浮標(biāo)電控系統(tǒng)，通過定點(diǎn)浮標(biāo)搭載的傳感器采集壓力、溶解氧等信息，并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給岸基控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)水域剖面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成及運(yùn)動(dòng)模式

1.1 系統(tǒng)組成

定點(diǎn)剖面浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)包括定點(diǎn)剖面浮標(biāo)本體的下位機(jī)控制系統(tǒng)和岸基人機(jī)交互系統(tǒng)。定點(diǎn)剖面浮標(biāo)是一種靠自身浮力調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)連續(xù)下潛上浮作業(yè)，并且其尾部使用錨系線與水底錨系固定的浮標(biāo)。定點(diǎn)剖面浮標(biāo)整體設(shè)計(jì)上采用模塊化理念，從功能上將剖面浮標(biāo)分解為一系列相互獨(dú)立的單元模塊，每個(gè)模塊都獨(dú)立密封，主要包括浮力調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集、控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信和電源管理單元，如圖1所示。針對不同的任務(wù)需求和應(yīng)用環(huán)境，選擇相應(yīng)的單元模塊，并搭載所需傳感器，即重組時(shí)只需要更換艙段并稍加修改浮標(biāo)本體中的控制單元程序即可完成，組裝靈活、易于維護(hù)。

圖1 定點(diǎn)剖面浮標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式

首先，岸基系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)上位機(jī)與定點(diǎn)剖面浮標(biāo)的下位機(jī)建立通信鏈接；然后定點(diǎn)剖面浮標(biāo)通過控制浮力調(diào)節(jié)單元的實(shí)現(xiàn)下潛，同時(shí)關(guān)斷GPS模塊和通信模塊，下位機(jī)按照預(yù)設(shè)的采集間隔時(shí)間給相關(guān)傳感器發(fā)送采集指令，實(shí)現(xiàn)對深度、溫度、溶解氧等信息的采集的監(jiān)測，并以“深度-溫度-溶解氧”數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而完成了對不同深度剖面信息數(shù)據(jù)的采集；再次，當(dāng)浮標(biāo)作業(yè)后上浮，再次采集相關(guān)信息；最后，當(dāng)浮標(biāo)浮出水面時(shí)，將喚醒GPS和通信模塊，再次建立浮標(biāo)與上位機(jī)的通信鏈接，以便下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送定位數(shù)據(jù)以及SD內(nèi)存卡存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和剩余電量數(shù)據(jù)。特別是，浮標(biāo)在水下作業(yè)過程中檢測到剩余電量低于門限值時(shí)將直接上浮，或者當(dāng)在水面檢測到剩余電量不能維持下一個(gè)作業(yè)周期時(shí)也將被回收充電，以保證浮標(biāo)的安全回收。

2 電控系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)作業(yè)需求，定點(diǎn)剖面浮標(biāo)下位機(jī)電控系以STM32F103ZET6單片機(jī)控制板為核心，包含調(diào)節(jié)浮力的步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器模塊、GPS定位模塊、4G數(shù)傳電臺(tái)、壓力和溶解氧傳感器模塊、電能計(jì)量模塊和拋載繼電器等組成，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖

其中：STM32F103ZET6控制單元含有RS232接口、RS485接口、CAN總線等多種通信接口，可滿足CTD傳感器、DO傳感器、溫鹽傳感器等多種數(shù)字量和模擬量的接口需求；浮力調(diào)節(jié)是通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠螺母旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠控制活塞吸油和排油，引起油馕的體積變化，實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)選用57步進(jìn)電機(jī)并采用PWM恒流控制ATK-2MD4850步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；GPS單元選用NEO-6M GPS模塊，讀取其數(shù)據(jù)頭為“$GPRMC”的GPS數(shù)據(jù)，獲取浮標(biāo)的位置信息；4G數(shù)傳電臺(tái)選用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司發(fā)布的4G DTU USR-G780V2 4G數(shù)傳電臺(tái)；深度信息是通過壓力傳感器變換獲取，壓力傳感器選用星儀傳感器制造有限公司發(fā)布的CYYZ31系列量程為0到0.6Mpa，精度為0.1%FS防水型壓力傳感器，經(jīng)換算可測量60米以潛的水深，使用Modbus通信協(xié)議；溶解氧傳感器和溫度傳感器選用煙臺(tái)凱米斯儀器有限公司發(fā)布的RDO-206熒光法溶解氧傳感器，也使用Modbus通信協(xié)議；SD存儲(chǔ)卡選用閃迪的SDSQUNC32G內(nèi)存卡；電能計(jì)量模塊選用艾銳達(dá)光電有限公司的MI1253B實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的輸出電壓和電流，以進(jìn)行能量的管理。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

4G數(shù)傳電臺(tái)是一種通過4G信號通信的通信模塊[7]，可以適用于4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，通信費(fèi)用很低，通信實(shí)時(shí)性和成功率高[8]。

浮標(biāo)浮在水面時(shí)，通過4G數(shù)傳電臺(tái)建立岸基上位機(jī)與剖面浮標(biāo)下位機(jī)之間的通信連接，數(shù)據(jù)信息通過TCP協(xié)議進(jìn)行封裝和傳輸。首先，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送通信請求，下位機(jī)收到通信請求之后回復(fù)心跳包，上位機(jī)接受到心跳包，表示上位機(jī)和下位機(jī)通信鏈接建立完成。然后，上位機(jī)發(fā)送包含水下作業(yè)時(shí)間、定位請求、SD內(nèi)存卡數(shù)據(jù)的請求數(shù)據(jù)包，下位機(jī)收到請求數(shù)據(jù)包將應(yīng)答包含GPS定位數(shù)據(jù)、SD內(nèi)存卡內(nèi)數(shù)據(jù)和剩余電量信息的應(yīng)答數(shù)據(jù)包。上位機(jī)和下位通信過程如圖3所示。若上位機(jī)發(fā)送通信請求，下位機(jī)長期沒有應(yīng)答，上位機(jī)將報(bào)警提示，以供岸基操作人員進(jìn)行處理。

圖3 下位機(jī)和上位機(jī)通信過程

本文使用SD儲(chǔ)存卡存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)。采用FATFS文件操作系統(tǒng)[9]，在SD卡內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)新的TXT文本文檔，將采集的數(shù)據(jù)以“data：s00.0w00.0r00.0”的格式存儲(chǔ)進(jìn)SD內(nèi)存卡內(nèi)的文本文檔，其中“s”表示深度，“w”表示溫度，“r”表示溶解氧。當(dāng)浮標(biāo)上浮至水面時(shí)，同樣使用FATFS文件系統(tǒng)將SD儲(chǔ)存卡內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出來，進(jìn)行封裝并發(fā)送至上位機(jī)。使用存儲(chǔ)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)保存等功能。當(dāng)發(fā)送失敗或者發(fā)送時(shí)數(shù)據(jù)丟失時(shí)可以通過從浮標(biāo)內(nèi)取出SD存儲(chǔ)卡實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的讀取。

4 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，本文使用Keil uVision5軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)程序，其程序流程示意圖如圖4所示。下位機(jī)程序主要功能如下：1）通信建立；2）GPS模塊數(shù)據(jù)采集；3）PWM信號控制步進(jìn)電機(jī)的吸油排油實(shí)現(xiàn)下潛上浮；4）壓力、溶解氧傳感器等數(shù)值的讀取以及處理；5）數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)進(jìn)SD內(nèi)存卡，指令的接受和SD內(nèi)存卡內(nèi)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖4 程序流程示意圖

5 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

定點(diǎn)剖面浮標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)使用LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)功能：1）串口信息配置；2）與下位機(jī)通信連接；3）指令的發(fā)送；4）數(shù)據(jù)接收；5）接收數(shù)據(jù)、解析與存儲(chǔ)；6）采集數(shù)據(jù)顯示。通過串口通信，LabVIEW調(diào)用函數(shù)庫中的VISA（Virtual Instrument Software Architecture）[10,11]，將接收到的數(shù)據(jù)使用字符串處理函數(shù)解析并存儲(chǔ)，同時(shí)將解析的相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)對應(yīng)的顯示框內(nèi)。定點(diǎn)剖面浮標(biāo)多次在河流中進(jìn)行了測試與應(yīng)用，上位機(jī)顯示界面如圖5所示，有效實(shí)現(xiàn)了對不同深度剖面的水質(zhì)監(jiān)測。

圖5 剖面浮標(biāo)作業(yè)和上位機(jī)人機(jī)交互界面

6 結(jié)語

圍繞淺水域水質(zhì)的長期監(jiān)測，本文采用模塊化思想，設(shè)計(jì)一種搭載傳感器靈活，易維修和升級的定點(diǎn)剖面浮標(biāo)，進(jìn)而針對浮標(biāo)本體電控系統(tǒng)和岸基監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過對浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)周期性的下潛和上浮，通過預(yù)定程序自主采集和存儲(chǔ)不同深度溶解氧及溫度數(shù)據(jù)，通過4G數(shù)傳電臺(tái)建立了浮標(biāo)與岸基監(jiān)控中心的無線數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了對水質(zhì)有效監(jiān)測。未來，將建立定點(diǎn)剖面浮標(biāo)群，通過組網(wǎng)建立更廣泛水域的水質(zhì)監(jiān)測。