謝李祥，邢傳璽，萬(wàn)興舉，吳耀文，張東玉

(云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

海洋擁有豐富的自然資源，同時(shí)也是影響全球環(huán)境和氣候變化的主要?jiǎng)恿σ蛩?精準(zhǔn)地獲取淺海信息和開(kāi)發(fā)利用海洋資源已成為人類(lèi)文明持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[1].目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備通常為定點(diǎn)浮標(biāo)、潛標(biāo)或者水面調(diào)查船等.這些設(shè)備在具體實(shí)施的過(guò)程中存在許多問(wèn)題：數(shù)據(jù)采集完成后，通常將其存儲(chǔ)在自身的存儲(chǔ)介質(zhì)中，需要工作人員后期進(jìn)行回收和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不能及時(shí)、直觀的獲取淺海信息而且需要花費(fèi)大量的人力物力[2].此外浮標(biāo)和潛標(biāo)等傳統(tǒng)采集設(shè)備，安放地點(diǎn)固定，對(duì)于大面積監(jiān)測(cè)海域時(shí)，測(cè)量結(jié)果存在偶然性，不易具有代表性.

本文結(jié)合當(dāng)前淺海所面臨的環(huán)境污染、資源匱乏等問(wèn)題和水聲信號(hào)采集的運(yùn)用背景，設(shè)計(jì)了一種由數(shù)據(jù)采集終端為核心的淺海環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng).數(shù)據(jù)采集終端集多種傳感器、存儲(chǔ)模塊、無(wú)線傳模塊和電源管理模塊為一體.其通過(guò)驅(qū)動(dòng)多種傳感器獲取淺海環(huán)境參數(shù)，并將結(jié)果存儲(chǔ)和通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行分析，避免了人工回收數(shù)據(jù)所消耗的人力物力和不能及時(shí)、直觀獲取淺海信息的缺點(diǎn).為了實(shí)現(xiàn)大面積海域的數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)采集終端搭載在自動(dòng)巡航的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，避免了單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)不具代表性的缺點(diǎn).

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將多個(gè)傳感器搭載在自動(dòng)巡航的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端[3-4]，采集終端通過(guò)多個(gè)傳感器獲取數(shù)據(jù)后使用NB-IoT無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行環(huán)境參數(shù)回傳，使得遠(yuǎn)程控制中心能夠及時(shí)獲取數(shù)據(jù)[5]；在獲取到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并在用戶(hù)端進(jìn)行可視化，便于更好的使用數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)海洋.系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

其中每個(gè)單個(gè)節(jié)點(diǎn)均搭載在獨(dú)立的移動(dòng)浮標(biāo)上，且包括控制中心、GPS天線、溫濕度模塊、NB-IoT模塊和多傳感器模塊，并使用太陽(yáng)能板給蓄電池進(jìn)行充電，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 單節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端主要由主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊、GPS模塊、電源控制模塊和無(wú)線通信模塊組成[6].數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

主控模塊采用STM32系列處理器，主要負(fù)責(zé)主控程序的運(yùn)行，各模塊初始化和接口函數(shù)程序加載，以及對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送；數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集所測(cè)區(qū)域的各種參數(shù)，包括溫濕度、PH值、水溫和水深等環(huán)境信息[6-7]，通過(guò)RS485、RS232和IIC等總線與主控芯片連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳和接收主控芯片的控制信息[8-9]；無(wú)線通信模塊采用NB-IoT模塊，主要負(fù)責(zé)將終端采集的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程控制中心；GPS模塊主要負(fù)責(zé)獲取所測(cè)區(qū)域經(jīng)緯度和當(dāng)前時(shí)刻 的UTC時(shí)間和日期.

其中電源模塊主要負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電，采用電池容量為 7 500 mAh/12 V 的鋰聚合物電池，并同時(shí)使用18V.5 W的太陽(yáng)能板進(jìn)行充電.根據(jù)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率，每天光照 8 h 左右，產(chǎn)能為[2]：

Q產(chǎn)能=5 W×8 h×50%=20 Wh.

(1)

整個(gè)系統(tǒng)采用低功耗方案設(shè)計(jì)[10]，系統(tǒng)工作時(shí)最大功耗為900 mW，若每天按24 h使用，則總耗能為：

Q耗能=900 mW×24 h=21.6 Wh.

(2)

通過(guò)上式計(jì)算使用太陽(yáng)能供電也可基本滿(mǎn)足系統(tǒng)供電需求，此外在蓄電池一次完全充電的情況下，系統(tǒng)可以使用的時(shí)長(zhǎng)為：

T=12 V×7.5 Ah/900 mW=120 Wh/0.9 W=100 h.

(3)

則正常情況下，可連續(xù)采集4天以上，滿(mǎn)足連續(xù)采集和低功耗需求.

2.1 主控模塊的設(shè)計(jì)

主控模塊采用STM32F407芯片，該芯片具有高性能、低功耗、實(shí)時(shí)性的特征[11]，同時(shí)具有豐富的外設(shè)，包括多達(dá)15個(gè)通信接口和17個(gè)定時(shí)器[12]，滿(mǎn)足系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求和接口需求.其主控芯片主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完成后通過(guò)規(guī)定的時(shí)序依次驅(qū)動(dòng)多種傳感器對(duì)所測(cè)區(qū)域的水文環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)通過(guò)SPI口存儲(chǔ)到外部FLASH中和通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心，其工作流程如圖4所示.

圖4 主控程序工作流程

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要為采集水文環(huán)境參數(shù)的多個(gè)傳感器，通過(guò)各種通信接口與主控芯片相連接，其中PH值通過(guò)PH電極和PH變送器獲取、水深通過(guò)GPS秒脈沖觸發(fā)換能器垂直向下發(fā)射單一波束聲波，并根據(jù)來(lái)自水底反射回波的接收時(shí)間、發(fā)射時(shí)間與聲速計(jì)算獲取、水溫參數(shù)通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器獲取、所測(cè)區(qū)域溫濕度參數(shù)通過(guò)SHT31溫濕度傳感器獲取[6].各傳感器都滿(mǎn)足性能穩(wěn)定、耐腐蝕能力強(qiáng)和精度高的特點(diǎn)，這將進(jìn)一步更好的保障數(shù)據(jù)采集模塊準(zhǔn)確、正常的工作.

以溫濕度傳感器SHT31為例，該傳感器通過(guò)IIC接口與主控芯片相連接，并通過(guò)內(nèi)置的溫度和濕度傳感器元件、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊實(shí)現(xiàn)溫濕度的獲取.并且該傳感器通過(guò)PTFE膜與傳感器封裝緊密的粘合在一起，有效的避免了海水與灰塵的進(jìn)入，使得傳感器可以在惡劣環(huán)境下使用[6].其數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

2.3 無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集終端獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心.采用谷雨有限公司的NB-IoT模塊，該模塊主要由BC_35模塊、復(fù)位電路、SIM卡槽和濾波天線組成[13].并且該模塊與短距離通信技術(shù)Zigbee、Wi-Fi、藍(lán)牙、Z-wave等相比較有著傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗、成本低等優(yōu)點(diǎn)[14-16]，適合工作于寬廣的海面.

NB-IoT模塊通過(guò)USART與STM32芯片相連接，STM32通過(guò)發(fā)送AT指令對(duì)BC_35進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)初始化、網(wǎng)絡(luò)附著、創(chuàng)建TCP/UDP Socket、連接服務(wù)器和發(fā)送數(shù)據(jù)等操作，最后通過(guò)850MHz的SMA天線將數(shù)據(jù)上傳到Internet網(wǎng)，再由Internet網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心，其上傳流程圖6所示.

從圖6中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)上電后先對(duì)串口初始化，實(shí)現(xiàn)NB-IoT模塊和主控芯片正常通信.通過(guò)主控芯片給NB-IoT模塊發(fā)送AT指令，實(shí)現(xiàn)NB模塊初始化，包括查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、附著網(wǎng)絡(luò)等.

圖6 NB-IoT通信流程

網(wǎng)絡(luò)附著成功后，按照如下步驟上傳數(shù)據(jù)并周期性檢測(cè)設(shè)備信號(hào)值、附著狀態(tài)等指標(biāo)，提高傳輸可靠性.

Step1 使用AT+NSOCR=STREAM,6,10000創(chuàng)建TCP Socket.STREAM和6確定為T(mén)CP連接，本地監(jiān)聽(tīng)端口號(hào)為10000，創(chuàng)建成功后NB模塊返回主動(dòng)碼socket ID，其值為0～7的一個(gè)整型數(shù)值；

3 系統(tǒng)測(cè)試

由于高原湖泊的湖泊環(huán)境和面臨問(wèn)題與淺海類(lèi)似，因此本文在云南民族大學(xué)校園內(nèi)的雨花湖中進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)現(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)的可行性與可靠性.將數(shù)據(jù)采集終端搭載在移動(dòng)浮標(biāo)上，放置于湖泊中，其姿態(tài)如圖7所示，使用無(wú)人船實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)移動(dòng).

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

為了更加直觀的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)淺海環(huán)境和采集設(shè)配，在遠(yuǎn)程控制中心使用LabVIEW軟件創(chuàng)建TCP客戶(hù)端訪問(wèn)服務(wù)器，獲取終端使用NB-IoT無(wú)線傳輸模塊上傳的數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)地址，并將數(shù)據(jù)可視化于用戶(hù)端，其設(shè)備基本信息如圖8(a)所示，環(huán)境參數(shù)可視化如圖8(b)所示.

圖8 設(shè)備基本信息與環(huán)境參數(shù)可視化界面

從圖8(a)中可以清楚觀測(cè)到設(shè)備的工作溫度、工作電壓和運(yùn)行狀等，能實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，避免設(shè)備出現(xiàn)故障，影響環(huán)境監(jiān)測(cè)；同時(shí)可以實(shí)時(shí)查看終端信號(hào)值與連接服務(wù)器狀態(tài)，確保通信流暢.從圖8(b)中可以直觀看到經(jīng)緯度、水溫等基本環(huán)境參數(shù)，避免了觀測(cè)分析不及時(shí)與人工回收數(shù)據(jù)成本高的缺點(diǎn).

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中將多傳感器置于水下10 cm處，每1 S采集一次，并將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中，遠(yuǎn)程控制中心距離采集點(diǎn) 1.5 km，同時(shí)為了更好的測(cè)量湖底地形，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中布設(shè)了8條測(cè)線進(jìn)行測(cè)量，每條測(cè)線長(zhǎng)為 80 m，測(cè)線間距 5 m，其巡航軌跡與具體測(cè)線布設(shè)如圖9(a)和9(b)所示.

圖9 巡航軌跡與測(cè)線布設(shè)圖

從圖9(a)中可以明顯觀測(cè)到巡航軌跡，與實(shí)際無(wú)人船行駛軌跡一致，因而可以確定終端采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且移動(dòng)浮標(biāo)可正常使用.

此外，遠(yuǎn)程控制中心接收到基本環(huán)境參數(shù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并在PC端進(jìn)行可視化，其溫濕度變化趨勢(shì)如圖10(a)所示，水溫度變化趨勢(shì)如圖10(b)所示.

從圖10中可以觀測(cè)到溫濕度與水溫在一天之內(nèi)的變化趨勢(shì)，和實(shí)際情況相符合.因此可以判斷該采集系統(tǒng)采集性能良好，連續(xù)性強(qiáng)和可靠性高，可以滿(mǎn)足淺海環(huán)境參數(shù)采集的需求.

圖10 溫濕度與水溫變化趨勢(shì)圖

最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證采集的深度環(huán)境參數(shù)為有效數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)地形鏈算法[17]進(jìn)行異常值剔除后，雨花湖水下地形仿真圖如圖11所示.

圖11 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)水下地形仿真圖

從圖11中可以直觀看到所測(cè)區(qū)域湖底地形為中間高于兩則，達(dá)到了湖底地形測(cè)繪目的，說(shuō)明該采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效.

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于傳統(tǒng)水文環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備處理數(shù)據(jù)不及時(shí)、成本高和采集數(shù)據(jù)不具代表性等缺點(diǎn)的考慮，設(shè)計(jì)了一套高可靠性、低功耗、低成本的采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個(gè)采集傳感器組成，能更加全面準(zhǔn)確的獲取所測(cè)區(qū)域的淺海水文信息，并將采集結(jié)果通過(guò)NB-IoT模塊及時(shí)回傳，避免了人工回收數(shù)據(jù)處理不及時(shí)和成本高的缺點(diǎn)；將數(shù)據(jù)采集終端搭載自動(dòng)巡航的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，可以對(duì)大面積海域進(jìn)行采集，更好的提高采集數(shù)據(jù)可靠性，進(jìn)一步避免了數(shù)據(jù)的偶然性.最后經(jīng)試驗(yàn)證明：采集系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間正常工作，采集數(shù)據(jù)能及時(shí)、準(zhǔn)確反映所測(cè)區(qū)域環(huán)境現(xiàn)狀.