一种新型海气多参数测量浮标数据采集系统

王 斌，孙宝楠 ，梁冠辉，官 晟*，丁军航

(1.青岛大学 自动化学院,山东 青岛 266071；2.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛 266061；3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛 266237；4.自然资源部 海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛 266061；5.山东省工业控制技术重点实验室,山东 青岛 266071)

海洋监测是海洋科学研究的重要组成部分。通过对海洋气象和水文数据的监测,人们能够及时地了解到海洋的环境变化,并为海洋科学研究、海洋灾害预警和海洋资源开发提供实用资料。海洋观测浮标作为广泛应用于海洋监测的自主监测平台,可通过锚定在海洋某一特定位置,利用其搭载的各种传感器对海洋气象水文诸多要素进行测量、处理、存储和通信[1-2]。

海洋观测浮标作为一种现代化海洋监测技术,正受到世界诸多国家的重视与研究。发达国家的海洋监测研究起步较早,开始于20世纪30年代末,并一直处于领先水平。最具代表性的是美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)研制的浮标,其终端设备技术先进,功能齐全,大部分都已经处于长期业务化运行阶段,而且具有高观测精度、长期稳定性、功能齐全和低功耗等特点[3]。海洋观测浮标的观测范围已经扩展到深远海,组成了业务化的观测网,并且向着全球高密度布网发展[4]；我国在20世纪60年代正式将海洋浮标纳入国家发展规划,之后也研制出了各种适用于不同海域的观测浮标及其装备,覆盖了我国各海域。但就总体发展程度而言,目前我国海洋监测技术和网络建设并不完善,在搭载的仪器设备的性能、测量精度和工作可靠性等方面,与国外还有较大的差距,这已成为制约我国海洋科技发展的重要因素之一[5]。

我国是一个海洋大国,发展海洋事业不仅对我国经济、社会发展影响巨大,而且对国土安全和国家权益的保障具有极其重要的意义。近年来我国海洋监测技术不断地发展,科技创新能力显著提升,基本能够满足沿海海域业务化运行的需求。但是,随着海洋环境监测要素的增多,数据处理复杂性加大,海洋监测系统也要应对越来越多的数据和复杂功能。因此,综合各国海洋关注度的日益增加以及我国建设海洋强国战略目标的实施,我们必须自主研发出具有稳定可靠、多参数、多功能的综合海洋浮标数据采集监测系统。

本文的主要研究内容是设计一种新型海气多参数测量浮标数据采集系统。通过构建数据采集系统,以获取海洋环境监测数据,并利用卫星通信传输至地面接收端。除此之外,实现了系统的低功耗设计方案,并对系统进行相关联调测试,以达到对海洋环境进行多参数长期监测的目的。

1 数据采集系统硬件设计

1.1 海洋资料浮标数据采集系统概述

数据采集是浮标系统的核心模块,由搭载传感器、电源系统、控制系统和通信系统组成,主要具有数据采集、处理、存储、传输和过程控制等功能。浮标锚定于海洋中,通过太阳能供电,由数据采集系统根据系统工作时序,控制采集单元及各项传感器的加断电来采集传感器的输出信号,将其转为数字信号并进行相关处理,之后,存入存储单元并通过通信模块与卫星进行实时传输,传送给岸基接收中心进行后续的数据分析与处理[6]。系统组成框图如图1所示。

图1 海洋资料浮标采集系统组成Fig.1 Composition of the acquisition system of marine buoy data

1.2 传感器选型与安装布放优化

若要实现数据采集系统,首先,需要了解需要采集的参数指标,根据参数选择对应的传感器种类以及传感器接口；然后,根据传感器的测量环境要求,为传感器设置便于测量和安装的布放位置；最后,利用数值模拟软件对风力、水力等进行仿真计算,测试传感器在恶劣环境干扰下是否能正常运作,若无法采集数据或数据异常,则对工作异常的传感器进行硬件及安装位置的分析,查找问题并进行安装优化。浮标传感器选型布放测试流程如图2所示。

图2 传感器集成方案设计流程Fig.2 Flow chart of the design for sensor integration

观测浮标采集的主要参数有气温、气压、湿度、风速、风向和辐射等气象参数以及温度、盐度、深度和海流等水文参数。气象传感器采用铂电阻RTD 进行气温的测量,其精度高且相对稳定,不会因高低温引起物理或化学特性的变化；采用超声风传感器测量各个方向的风速分量,并通过合成得到风速风向,同时配合激光测风仪测量激光雷达垂向中轴线方向上不同高度的风速；气压采用硅谐振式气压传感器测量,其不受被测流体密度的影响,通过固有振荡频率的变化来测得气压的大小；采用精度高、响应速度快的激光传感器测量相对湿度,弥补了传统湿度传感器易受环境影响的缺陷；辐射测量方面采用速度快、检测精准的热电式太阳能辐射表,利用内置感光元件对太阳总辐射进行测量[7]。

水文传感器选用定点式温盐深传感器CTD测量水下温度、电导率和压力,通过计算得出剖面盐度值,并用声学海流计进行海流数据的测量。因水下数据传输距离较长,最深可到1 000 m,考虑到实时性、水密性以及价格因素,本文采用了感应耦合传输技术[8],通过包塑钢缆进行数据传输,钢缆一端裸露在海水中与海水形成闭合回路,水下传感器获得数据后,通过钢缆回路产生的感应电流传送至水上,并利用串口输送给数据采集单元。

气象传感器由于数量较多,输出信号类型和强度各不相同,采集单元处理起来较为不便,因此选择一种通用的传感器数据通讯接口,方便系统的集成。气象传感器统一选用标准RS485接口,组成RS485总线网络进行数据传输。RS485总线是一种异步半双工通讯方式,能进行多点数据的采集,相比RS232总线,其优点是采用平衡发送和差分接收、传输速率更快、抗干扰性更强、安装方便、便于维护[9]。所选传感器及相关参数如表1所示。

表1 浮标平台传感器电气特性Table 1 Electrical characteristics of sensors

由于搭载的传感器设备较多,浮标塔架平台面积有限,设计塔架具有两层安装平台(图3),超声测风、激光测风、太阳辐射需要防止遮挡,因此放置在第一层,其中激光测风需要一个广阔的开角,因此将其置于中间位置,其他的分散在四周,以减小各个传感器之间的相互影响,同时在第一层搭配避雷针和角反射器保证安全性；温度、湿度传感器等不怕遮挡的设备置于第二层。该安装布放方法既能充分利用塔架空间,又能保证各个传感器都具有安全和开阔的测量环境,极大地提高了采集系统的稳定性。

图3 浮体塔架设备安装布局Fig.3 Layout on buoy tower

1.3 远程通信模块选型安装与通信流程

浮标传感器所测得的所有数据都需要定时发送到岸站系统,这就需要专门的卫星通信系统对其进行数据传输。远程通信系统通常采用GPRS、CD-MA 和北斗卫星等通信方式,将数据采集系统获取的数据传送至岸基接收站。

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我国自主研发的定位通讯系统,随着北斗技术的不断发展,卫星覆盖海区逐渐扩大,天线结构安全可靠性增强,数据传输也更加安全稳定[10]。为支持国家北斗发展战略,本文采用一套北斗通讯模块,其具有标准的RS485数据接口,是采用模块化一体式设计的,能够满足系统的数据传输要求。北斗通讯模块安装在浮标塔架立杆顶部,采用密封防水方式,通过RS485接口与数据采集单元进行传输。其中,北斗天线实物安装照片如图4所示。

图4 北斗天线Fig.4 The Beidou antenna

海洋观测浮标通过配置此套北斗天线将传感器测量数据上传至北斗卫星,北斗卫星将上传的数据发送至岸基数据接收中心,由接收中心再将接收到的观测数据进行进一步的显示、处理和入库,并通过以太网送入特定的计算机网络[11-12]。系统通信平台架构图如图5所示。

图5 浮标远程通信平台架构Fig.5 Platform of the buoy telecommunication system

1.4 控制模块处理器选型与功能设计

控制模块是采集系统的大脑,在整个采集过程中起着至关重要的作用,其主要功能为:①根据相应时序和系统工作参数,对系统中的所有设备进行加断电控制；②通过串口电路实现与搭载的串口接口的传感器进行通信,定时采集传感器数据；③在采样过程结束后,将处理后的数据存入系统的存储器；④与北斗通信单元通信,将数据按要求进行发送；⑤监测传感器以及电源电压,以监测系统工作状态；⑥当浮标遭到破坏时及时报警等。

控制模块需要有中央处理器CPU,其主要功能是负责处理和运算计算机内部的所有数据,是控制系统的核心。控制模块原理图与实物图如图6和图7所示。本文按照模块化、低功耗和高可靠的设计思想,综合对比几种常用处理器的技术特点,最终选用STM32F407RCT6作为控制模块。STM32F407RCT6是一种嵌入式-微控制器的集成电路,它有着极高的性能、较低的功耗、合理的价格以及强大的软件支持,简单易用。其相关参数为:32位,速度72 MHz,程序存储器容量256 k B,程序存储器类型为FLASH,RAM 容量48 k B。该处理器接口数量满足需求,同时也能保证系统所需的低功耗要求[13-14]。

图6 控制模块原理Fig.6 Schematic diagram of the control module

图7 控制模块Fig.7 The control module

1.5 低功耗方案设计

浮标服役于海洋,工作周期长,电力补充能力较弱,因此数据采集控制系统的低功耗是系统的基本要求。根据本浮标实际工作需要,对本浮标系统做耗能假设:①正常工作模式下连续工作时间不小于1 a；②示范海域在南海北部,台风天气会出现连续降水天气,必须满足在连续15 d无法充电情况下提供设备正常工作电能；③各传感器(除测风传感器)每15 min采集一次数据,开机后连续采样1 min；④激光测风雷达每15 min采集一次数据,开机后连续采样5～10 min；⑤超声测风传感器,每15 min采集一次数据,开机后连续采样10 min；⑥所有传感器在风速大于20 m/s时做数据加密采集处理,连续采样0.5 h；⑦卫星通讯模块每小时开启一次,持续传输数据15 min。

根据上述的耗能假设,本文采用如下低功耗方案:

①充分利用STM32F407RCT6提供的低功耗模式,在处理器完成主程序任务后,设置其进入低功耗待机模式。

②对电源进行有效管理,对于某时刻系统内暂不工作的部分,使其断电或处于降耗状态。如当采集数据时,只让电源模块和采集处理模块工作,通信模块暂不工作。在采集结束后,通信模块再开启,对数据进行传输。

③在满足系统性能要求的基础上,尽可能地选择功耗较低的电子设备,降低功耗,延长电池工作时间。

本文所选设备以及功耗情况统计如表2所示。若要保证采集系统能在阴雨恶劣天气无法充电的情况下连续15 d正常工作,根据设备总体功耗,采用8块24V/125W 的太阳能电池板进行充电,采用4节250 Ah铅酸电池储能,其充放电性能稳定,价格较低,整体尺寸与重量相对较小,满足系统的功耗要求[15-16]。

表2 仪器功率及功耗Table 2 Power and power consumption of instruments

2 数据采集系统软件设计

软件设计是浮标数据采集控制的重要内容,它控制着系统数据的采集过程、处理过程、发送过程和存储过程等。本文软件程序是基于Labview 图形化编程语言在Windows XP Embedded系统进行开发的,该系统建立于Windows XP Professional的基础之上,具有与之相同的应用程序编程模型,属于精简版的Windows XP系统,利于软件快速开发；该系统还具有磁盘读写保护功能,可使浮标在长期海洋工作中突遇断电时系统不会崩溃,随后系统能够自动重新开始观测任务[17]。

2.1 数据采集控制程序设计

软件的系统控制和数据采集流程如图8所示。浮标既要高速地采集大量数据,又要对每次采集的数据进行操作,若将采集数据和操作数据放在同一循环周期内,会降低数据采集效率,甚至导致端口缓存区内的观测数据可能未被及时读取而被下一周期的观测数据取代,进而造成数据缺失。为了避免以上情况发生,开发软件时,采用了队列操作模式,数据采集属于入队列循环,操作数据属于出队列循环,二者独立运行互不影响。

图8 数据采集软件流程Fig.8 Flow chart of the data acquisition software

观测站软件的主界面例如图9所示。主界面包括控制参数设置窗口、状态显示窗口和错误监控窗口。通过控制参数设置窗口可对观测站硬件工作参数进行设置,包括各模块端口号、端口速率、采集模式、通信地址、通信频率和数据文件路径等；通过状态显示窗口可以查看各个模块的工作状态、数据采集器的运行状态和通信状态等；错误监控窗口的主要内容是显示软件各个子模块的运行状态。这些窗口可在调试系统时或者设备布放前进行系统设置、查看运行状态,以保证研制工作和测量任务顺利进行。该软件界面简洁易懂,操作方便,为用户提供了便利。

图9 软件主界面Fig.9 Main interface of the software

2.2 软件时序及任务设计

根据不同的用户需求,浮标可采用3 h、1 h、0.5 h和10 min工作模式,以常用的1 h工作模式为例,浮标数据采集控制系统工作时序如图10所示。气温气压、风速风向、海流计、温盐等按照图示进行定时上电、采集和断电。

图10 数据采集时序Fig.10 Sequence diagram of the data acquisition

3 数据采集系统实验测试

根据系统时序,浮标数据采集软件的任务组成主要包括风速风向采集任务、温湿度采集任务、气压采集任务、海流采集任务、调试/显示任务、卫星通信任务、网络通信任务、文件操作任务和时间调度任务等。因采用了实时操作系统,做能保证各任务的实时性。

本文浮标海上示范运行拟选在某海域示范运行时间不少于1 a,以补充我国海上监测系统。在进行现场示范之前,需要先进行实验室实验,模拟现场环境,检验各部分设计制造的质量、电子部分的性能与参数以及软件的性能等,尽可能地提前发现问题、解决问题。实验测试总体流程如图11所示。

图11 实验测试流程[18]Fig.11 Flow chart of experimental test[18]

为保证浮标搭载器件安全稳定运行,浮标体自身需要有良好的漂浮稳定性,当遇到相对恶劣的风浪时,能避免出现较大的摇晃、旋转。本文通过仿真计算浮标的静稳性曲线和动稳性曲线来确定浮标的海上运动情况,2种曲线如图12所示。

《国内航行海船法定检验技术规则》[19]中对于海洋浮体结构的大倾角稳性的要求为:横倾角φ＝30°处的复原力臂应不小于0.2 m,最大复原力臂对应的横倾角应不小于25°,稳性消失角应不小于55°。从图12a可以得出,该浮标的极限静倾角约为41°,最大复原力臂约为0.58 m,稳性消失角超过90°,完全满足技术要求。由图12b可知,浮标的最小倾覆力臂为0.277 6 m。经过计算可得,文中浮标的风压倾斜力臂为0.220 9 m,进而求得浮标的稳性衡准数K＝1.26,这满足《船舶与海上设施法定检验规则》[20]中要求浮体稳性衡准数大于等于1的要求。所以,该浮标完全满足技术规则的要求,具备足够的静稳性与动稳性,即使在较为恶劣的海况下也能保持稳定姿态,确保了数据采集系统的各个器件能够在安全稳定的环境下运行。

图12 浮标稳性曲线[18]Fig.12 Buoy stability curve[18]

进一步对采集系统传感器以及供电进行相关测试(表2)可知,在浮标搭载的各个器件中,激光测风仪功耗约占总功耗的85%,实验中对激光测风仪进行功耗测试,连接一块12 V 250 Ah蓄电池,用升压模块升至24 V 进行供电,实际测得稳定电流约为2.5 A,由电池的放电曲线可知,在电流小于0.05 C(7.5 A)时,可直接计算放电时长而不会达到电池欠压值,因此通过计算得出一块电池可供激光雷达持续运行约100 h。激光雷达与电源测试现场实物如图13和图14所示。

图13 激光测风雷达Fig.13 Wind LIDAR

图14 电源控制与升压模块Fig.14 Power supply and boost module

本系统使用8块24 V/125 W 的太阳能电池板(图15)对4块蓄电池进行充电,为方便实验,本文使用了两块电池板并联,按照浮体安装设计的角度置于阳关充足的地方,并对放电实验中已放电的单块电池进行充电,测得在光照充足时充电电流约为3 A。

图15 太阳能电池板测试Fig.15 Solar panels test

激光雷达运行模式为每隔15 min启动运行5～10 min。当出现阴雨天气时,若电池中剩余电量按70%计算,则4 块250 Ah电池能为激光雷达提供420～560 h的工作时间；其他器件虽工作时间与功耗各不相同,但总体占比较小,经过估算认为该系统能满足在阴雨天气下持续运行15 d的要求。

在进行电源供电实验的同时,也为激光雷达数据采集做了测试,获得垂直方向上1 000 m 以下的风速、风向相关数据,通过图16所示软件进行图形化显示,证明了采集模块能正常运行并获取到传感器的测量数据。

图16 激光测风数据图形化显示Fig.16 Graphical display of wind measurement by LIDAR

4 结语

本文针对自主研制的新型海气多参数测量浮标,设计了集成激光测风雷达等多种国产最新型海洋、大气传感器的数据采集系统。该系统对海气观测浮标全国产替代技术,进行了有益的探索,积累了大量设计与制造经验。

本文以满足各传感器工作条件为前提,论述了传感器布设、电源供电、太阳能补充、多源多类数据接口、卫星通信、主控模块与控制软件等功能单元的设计与实现方案。从选型与工作模式等多方面重点关注系统能耗优化,实现连续工作1 a及在南海北部特定海洋环境下连续工作15 d无能源补充的低功耗目标。此外,将传感器布局设计与浮标风浪响应仿真融入传统数采系统设计流程中,保障了浮标风压倾斜力臂、稳性衡准数等指标符合相关检测与设计规则要求,极大提高了数采系统设计结果的针对性与可靠性。理论计算、仿真实验与系泊实验结果,证实本文各项设计满足了预定的设计目标要求。后续将通过海上试验,对各部分设计形成反馈,以进一步提高其性能。