吳 杰 ，周 悅 ，殷 潔 ，楚燈旺 ，郭 威

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

0 引言

浮標監(jiān)測系統(tǒng)能夠為江河、湖泊和海洋環(huán)境提供長期、連續(xù)、實時和可靠的觀測[1]。隨著科技的發(fā)展，尤其是傳感器技術的長足進步，浮標也從以前單一海洋監(jiān)測轉變?yōu)楝F(xiàn)在的海洋物理、生物、氣候、生物模式等全方位、完備化的實時監(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、實時有效的發(fā)送成為衡量浮標性能優(yōu)劣的重要標準。

通常，浮標監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩種：一種浮標是采集的信息可實時發(fā)送，即采集的數(shù)據(jù)可以立即發(fā)送給岸基系統(tǒng)，浮標系統(tǒng)無需對采集的數(shù)據(jù)進行處理，如漂浮浮標和潛標監(jiān)控系統(tǒng)；另一種浮標是采集信息需存儲，浮上水面后才能發(fā)送，如Argo剖面浮標觀測系統(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，當上浮至水面時通信模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送給岸基系統(tǒng)[3,4]。

針對淺水域水質信息獲取，本文設計了一種可以監(jiān)測水域剖面數(shù)據(jù)的定點剖面浮標電控系統(tǒng)，通過定點浮標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)，從而實現(xiàn)對目標水域剖面數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成及運動模式

1.1 系統(tǒng)組成

定點剖面浮標監(jiān)控系統(tǒng)包括定點剖面浮標本體的下位機控制系統(tǒng)和岸基人機交互系統(tǒng)。定點剖面浮標是一種靠自身浮力調節(jié)裝置來實現(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。定點剖面浮標整體設計上采用模塊化理念，從功能上將剖面浮標分解為一系列相互獨立的單元模塊，每個模塊都獨立密封，主要包括浮力調節(jié)、數(shù)據(jù)采集、控制和數(shù)據(jù)存儲、通信和電源管理單元，如圖1所示。針對不同的任務需求和應用環(huán)境，選擇相應的單元模塊，并搭載所需傳感器，即重組時只需要更換艙段并稍加修改浮標本體中的控制單元程序即可完成，組裝靈活、易于維護。

圖1 定點剖面浮標結構圖

1.2 系統(tǒng)運動模式

首先，岸基系統(tǒng)監(jiān)控平臺上位機與定點剖面浮標的下位機建立通信鏈接；然后定點剖面浮標通過控制浮力調節(jié)單元的實現(xiàn)下潛，同時關斷GPS模塊和通信模塊，下位機按照預設的采集間隔時間給相關傳感器發(fā)送采集指令，實現(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)格式進行數(shù)據(jù)存儲，從而完成了對不同深度剖面信息數(shù)據(jù)的采集；再次，當浮標作業(yè)后上浮，再次采集相關信息；最后，當浮標浮出水面時，將喚醒GPS和通信模塊，再次建立浮標與上位機的通信鏈接，以便下位機向上位機發(fā)送定位數(shù)據(jù)以及SD內存卡存儲的數(shù)據(jù)和剩余電量數(shù)據(jù)。特別是，浮標在水下作業(yè)過程中檢測到剩余電量低于門限值時將直接上浮，或者當在水面檢測到剩余電量不能維持下一個作業(yè)周期時也將被回收充電，以保證浮標的安全回收。

2 電控系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)作業(yè)需求，定點剖面浮標下位機電控系以STM32F103ZET6單片機控制板為核心，包含調節(jié)浮力的步進電機及其驅動器模塊、GPS定位模塊、4G數(shù)傳電臺、壓力和溶解氧傳感器模塊、電能計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；浮力調節(jié)是通過步進電機驅動滾珠螺母旋轉帶動絲杠控制活塞吸油和排油，引起油馕的體積變化，實現(xiàn)浮力調節(jié)，本系統(tǒng)選用57步進電機并采用PWM恒流控制ATK-2MD4850步進電機驅動器；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)，獲取浮標的位置信息；4G數(shù)傳電臺選用濟南有人物聯(lián)網技術有限公司發(fā)布的4G DTU USR-G780V2 4G數(shù)傳電臺；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存儲卡選用閃迪的SDSQUNC32G內存卡；電能計量模塊選用艾銳達光電有限公司的MI1253B實時監(jiān)控電池的輸出電壓和電流，以進行能量的管理。

3 通信協(xié)議設計與數(shù)據(jù)存儲

4G數(shù)傳電臺是一種通過4G信號通信的通信模塊[7]，可以適用于4G移動網絡覆蓋區(qū)域，通信費用很低，通信實時性和成功率高[8]。

浮標浮在水面時，通過4G數(shù)傳電臺建立岸基上位機與剖面浮標下位機之間的通信連接，數(shù)據(jù)信息通過TCP協(xié)議進行封裝和傳輸。首先，上位機向下位機發(fā)送通信請求，下位機收到通信請求之后回復心跳包，上位機接受到心跳包，表示上位機和下位機通信鏈接建立完成。然后，上位機發(fā)送包含水下作業(yè)時間、定位請求、SD內存卡數(shù)據(jù)的請求數(shù)據(jù)包，下位機收到請求數(shù)據(jù)包將應答包含GPS定位數(shù)據(jù)、SD內存卡內數(shù)據(jù)和剩余電量信息的應答數(shù)據(jù)包。上位機和下位通信過程如圖3所示。若上位機發(fā)送通信請求，下位機長期沒有應答，上位機將報警提示，以供岸基操作人員進行處理。

圖3 下位機和上位機通信過程

本文使用SD儲存卡存儲采集的數(shù)據(jù)。采用FATFS文件操作系統(tǒng)[9]，在SD卡內創(chuàng)建一個新的TXT文本文檔，將采集的數(shù)據(jù)以“data：s00.0w00.0r00.0”的格式存儲進SD內存卡內的文本文檔，其中“s”表示深度，“w”表示溫度，“r”表示溶解氧。當浮標上浮至水面時，同樣使用FATFS文件系統(tǒng)將SD儲存卡內的數(shù)據(jù)讀出來，進行封裝并發(fā)送至上位機。使用存儲系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)保存等功能。當發(fā)送失敗或者發(fā)送時數(shù)據(jù)丟失時可以通過從浮標內取出SD存儲卡實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的讀取。

4 下位機軟件設計

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

圖4 程序流程示意圖

5 上位機界面設計及試驗驗證

定點剖面浮標監(jiān)控系統(tǒng)上位機使用LabVIEW進行設計，主要實現(xiàn)功能：1）串口信息配置；2）與下位機通信連接；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；6）采集數(shù)據(jù)顯示。通過串口通信，LabVIEW調用函數(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，同時將解析的相應數(shù)據(jù)顯示在上位機對應的顯示框內。定點剖面浮標多次在河流中進行了測試與應用，上位機顯示界面如圖5所示，有效實現(xiàn)了對不同深度剖面的水質監(jiān)測。

圖5 剖面浮標作業(yè)和上位機人機交互界面

6 結語

圍繞淺水域水質的長期監(jiān)測，本文采用模塊化思想，設計一種搭載傳感器靈活，易維修和升級的定點剖面浮標，進而針對浮標本體電控系統(tǒng)和岸基監(jiān)控系統(tǒng)進行詳細設計，通過對浮力調節(jié)系統(tǒng)的控制實現(xiàn)了浮標周期性的下潛和上浮，通過預定程序自主采集和存儲不同深度溶解氧及溫度數(shù)據(jù)，通過4G數(shù)傳電臺建立了浮標與岸基監(jiān)控中心的無線數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)了對水質有效監(jiān)測。未來，將建立定點剖面浮標群，通過組網建立更廣泛水域的水質監(jiān)測。