張麗，施嚴(yán)，孫建紅，劉賽，謝云彬，衛(wèi)寧

（1.山東省經(jīng)海儀器設(shè)備有限公司，山東青島，266000；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東青島，266000；3.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島，266000）

0 引言

本文設(shè)計了一種多傳感器融合的海洋浮標(biāo)系統(tǒng)，解決了長時間傳輸、多參數(shù)采集的問題，設(shè)計了水下數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)，同時設(shè)計了無線通信模塊，將數(shù)據(jù)進(jìn)行長時間遠(yuǎn)距離傳輸，并且設(shè)計了太陽能供電系統(tǒng)，提高了整個浮標(biāo)的利用率。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

整個設(shè)計分為三個部分，為數(shù)據(jù)采集部分、電源管理部分、無線傳輸部分，整個浮標(biāo)的整體框圖如圖1所示，通過整體框圖，可以將硬件和軟件進(jìn)行模塊化，減少不同模塊之間的耦合性。也方便后續(xù)再設(shè)計過程中能夠增加效率，減少工作量。代碼也是一樣，增加可移植性。

圖1 浮標(biāo)整體框圖

從圖1中可以得知，整個數(shù)據(jù)的傳輸主要是靠SPI進(jìn)行傳輸?shù)模麄€的電源是靠太陽能轉(zhuǎn)換，進(jìn)行電能存儲和電源轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的，而且整個設(shè)計過程保留了喚醒功能，能夠滿足低功耗的要求，根據(jù)浮標(biāo)工作環(huán)境的要求，需要克服惡劣的環(huán)境，從而水面為浮標(biāo)球體，水下為數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用SPI通信，這樣可以方便對數(shù)據(jù)的采集和傳輸，對于電源部分采用的是太陽能和鋰電池組合的方式，太陽能板對太陽能進(jìn)行收集轉(zhuǎn)化為電能，然后將電能通過電源模塊給鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池通過電源轉(zhuǎn)換芯片給整個系統(tǒng)供電，GPS數(shù)據(jù)也是為了能夠?qū)崟r知道浮標(biāo)的位置，方便后續(xù)的維護(hù)和處理，市面上GPS基本采用UART的傳輸方式，本文也是采用GPS來進(jìn)行定位，方便實時跟蹤，監(jiān)察。

2 硬件設(shè)計方案

■2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計

對于整個系統(tǒng)，最重要的就是對數(shù)據(jù)的采集，只有對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測量，才能夠得到有用的數(shù)據(jù)，為了保證通信的正常和實時性，在處理采用SPI進(jìn)行通信的前提下，又預(yù)留了其他兩種通信方式，保證了浮標(biāo)可以正常的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。如圖3就是數(shù)據(jù)采集的整個方式。整個數(shù)據(jù)采集使用的是MSP430作為主控制模塊，作為低功耗的代表，MSP430可以長時間低功耗進(jìn)行睡眠等待喚醒，MSP430最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。而且整個系統(tǒng)通過太陽能進(jìn)行供電，通過電壓轉(zhuǎn)換來進(jìn)行對系統(tǒng)供電，而MPU6050傳感器也是為了獲取更好的水質(zhì)數(shù)據(jù)，由于所采用的傳感器是模擬傳感器，需要通過運(yùn)算放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而才能將處理后的數(shù)據(jù)給到單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，將有用數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去，這樣就可以讓千里之外的人接收到浮標(biāo)位置的海洋數(shù)據(jù)，能夠讓人進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，對自然災(zāi)害或者自然規(guī)律進(jìn)行預(yù)測、解釋。

圖2 MSP430最小系統(tǒng)

圖3 數(shù)據(jù)采集設(shè)計框架

對于傳感器的選取，為了能夠更加準(zhǔn)確的采集到真實數(shù)據(jù)，而且也是為了數(shù)據(jù)的長期可靠，本文采用中北大學(xué)研制的水聽傳感器，并且配合姿態(tài)傳感器，就可以對水下數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的采集，對于放大電路和濾波電路，需要較為精準(zhǔn)的供電電壓，因而在設(shè)計過程中，在這路電源供電中采用兩級LDO，這樣保證運(yùn)放的供電穩(wěn)定，能夠有效的降低紋波，能夠更加的保證輸出信號的精準(zhǔn)度，如圖4為AD外圍電路。

圖4 AD外圍電路

■2.2 無線通信設(shè)計

本文的無線傳輸部分，采用了SD卡、功率放大、GPS等模塊，對信號進(jìn)行放大傳輸，整個硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中GPS模組采用的是NEO-6M實現(xiàn)的，其外圍如圖6所示。通過SD卡進(jìn)行本地保存，通過本地保存能夠得到數(shù)據(jù)對比，和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)對比，從而可以得到更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，而對于SMA天線的功能，也是為了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，海洋里面，惡劣環(huán)境隨時都可能出現(xiàn)，在這樣的環(huán)境中，需要能夠可靠的傳輸數(shù)據(jù)，能夠增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾能力。

圖5 無線通信硬件結(jié)構(gòu)

圖6 GPS外圍圖

■2.3 電源管理硬件設(shè)計

整個設(shè)計中，對于電源的要求比較高，需要長時間進(jìn)行工作，如果只通過電池的方式無法滿足數(shù)據(jù)采集的要求，因而在設(shè)計的過程中加入了太陽能電路板，通過這種方式，可以長時間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)然這種方式會加重整個設(shè)備的體積和重量，由于產(chǎn)生的太陽能是不穩(wěn)定的，因而在設(shè)計中加入電壓轉(zhuǎn)換模塊，對于不同的傳感器、單片機(jī)及放大電路，需要不同的電壓，因而需要多個電路轉(zhuǎn)換，分配給不同的模塊供電。在電路設(shè)計由于太陽能的不穩(wěn)定性，在設(shè)計的過程中采取電源管理模塊對太陽能進(jìn)行管理，這樣可以有效的增加太陽能的穩(wěn)定電能輸出能力，在電源系統(tǒng)的設(shè)計過程中，采用樹形結(jié)構(gòu)，這樣在有部分電源出問題的情況下，依然能夠不影響其他模塊的數(shù)據(jù)傳輸和正常的工作。

3 浮標(biāo)軟件設(shè)計

本次的設(shè)計采用C語言進(jìn)行編程，在市場上通用的單片機(jī)編寫KEIL，它可以極大的縮短代碼周期，移植起來也很方便，通過KEIL的界面，進(jìn)行代碼的編寫，然后完成匯編，讓機(jī)器進(jìn)行能夠識別，從而完成代碼的運(yùn)行。

本次的軟件設(shè)計主要是對數(shù)據(jù)的采集，然后傳送到無線傳輸部分，最后向外發(fā)送，整個流程先初始化單片機(jī)時鐘、定時器串口等，等待AD等功能正常初始化，然后匹配ID芯片，看是否匹配，等查找到匹配的器件以后，采集到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入低功耗模式，等定時時間到了以后，進(jìn)行喚醒，從而將數(shù)據(jù)通過無線方式傳送出去，整個流程如圖7所示，通過軟件流程圖，規(guī)劃好每一部分的代碼思路，進(jìn)行模塊化設(shè)計。

圖7 軟件流程圖

4 系統(tǒng)版圖

對于硬件部分采用的是三塊，無線傳輸模塊、電源管理模塊和數(shù)據(jù)采集這三塊，在對其進(jìn)行布局布線過程中采用的是Altium Designer進(jìn)行設(shè)計，考慮到浮標(biāo)的體積和外形，采用的是圓形PCB，并嚴(yán)格限制了其布線范圍，盡可能的減少PCB體積，整個布局合理分配元器件，并且預(yù)留了調(diào)試端口，方便對整個電路般的調(diào)試，也預(yù)留了傳感器的數(shù)據(jù)傳輸接口，及復(fù)位電路，能方便的及時重啟電路，保證數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定有效。如圖8所示為數(shù)據(jù)采集電路板。

圖8 數(shù)據(jù)采集電路板

對于無線通信部分，主要包括了整個通信的主控制芯片部分，采用的是ESP32模組，并設(shè)計了調(diào)試接口，即USB接口，通過USB進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和調(diào)試，并配備了SD進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，傳輸部分，采用的是GPS加運(yùn)放電路的方式，增加傳輸距離，避免數(shù)據(jù)的丟失，而GPS的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的知道現(xiàn)在浮標(biāo)的位置，方便打撈，以及后續(xù)對浮標(biāo)的維護(hù)。其硬件PCBA如圖9所示，藍(lán)色端子為電源入口，通過螺絲的方式可以有效的固定好電源的輸入。

圖9 無線通信PCBA

第三部分為電源管理部分，這部分分為電源充電器電路和電壓轉(zhuǎn)換電路，對于電源充電電路，采用的是BQ24650，其作為一種成熟的太陽能充電控制電路，能夠高效且可靠的進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，對于電壓轉(zhuǎn)換部分，則根據(jù)特定的情況選擇相應(yīng)的電源芯片，因為整個系統(tǒng)中存在1.8V，3.3V，5V，根據(jù)不同需要的電壓，進(jìn)行分配，其PCBA實物圖如圖10所示。

圖10 電源管理PCBA實物圖

5 總結(jié)

未來時間發(fā)展將會越來越迅速，伴隨著海洋世界的一步步被揭開，其蘊(yùn)藏的價值也會驚艷到人們，相信隨著浮標(biāo)探測技術(shù)的發(fā)展，將來的海洋探測技術(shù)一定能夠?qū)崟r動態(tài)的監(jiān)測海洋的一舉一動，一方面發(fā)現(xiàn)其能源資源，探索其運(yùn)動規(guī)律，另一方面也能夠?qū)崟r預(yù)警，避免不必要的災(zāi)難，讓海洋服務(wù)與人類，與人和諧共存。