姜靜波, 徐永平, 李思忍, 陳永華, 倪佐濤, 涂登志

(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071)

科學(xué)家提出, 21世紀(jì)是海洋的世紀(jì), 在海洋科研日益活躍的今天, 對(duì)深海海洋環(huán)境的探索逐漸成為研究熱點(diǎn)。深海浮標(biāo)是深海海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分[1], 在人類進(jìn)一步了解陌生的大洋環(huán)境的探索中起著重要的作用。深海觀測(cè)浮標(biāo)最先由美國(guó)、日本等國(guó)家海洋科技工作者提出并研發(fā),具有代表性的有美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制的ATLAS浮標(biāo)和日本海洋科學(xué)技術(shù)研究中心研發(fā)的TRITON浮標(biāo)。近幾年來(lái), 隨著國(guó)家對(duì)深?？蒲械耐度肓Χ鹊募哟? 國(guó)家海洋局和中國(guó)科學(xué)院等單位在多方調(diào)研的基礎(chǔ)上, 也紛紛研制了應(yīng)用于深海大洋的多參數(shù)觀測(cè)浮標(biāo), 并投入深海科研應(yīng)用。本文針對(duì)多參數(shù)深海浮標(biāo)研發(fā)了一套高度自動(dòng)化、模塊化的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于自動(dòng)化測(cè)控和計(jì)算機(jī)編程技術(shù), 利用面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 可以通過(guò)衛(wèi)星將大洋深處的海洋浮標(biāo)不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳回路基, 完成無(wú)人值守環(huán)境下深海環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)整體介紹

實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的整體由數(shù)控模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和陸基接收模塊 3部分構(gòu)成。數(shù)控模塊是整套浮標(biāo)的核心指揮部分, 分為控制單元和數(shù)據(jù)采集單元,二者通過(guò)總線通信, 且由蓄電池組和太陽(yáng)能電池板提供能源, 管理著電力加載、浮標(biāo)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星通信過(guò)程; 而陸基接收模塊則是觀測(cè)數(shù)據(jù)直觀的反饋載體, 主要由通過(guò)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件程序完成數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。

2 控制模塊

控制模塊負(fù)責(zé)浮標(biāo)系統(tǒng)的電源管理, 傳感器工作時(shí)序管理, 傳感器數(shù)據(jù)采集管理, 浮標(biāo)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星通信管理, 其結(jié)構(gòu)功能如圖1所示。

圖1 控制模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control model structure diagram

考慮到浮標(biāo)集成多種傳感器, 且飄浮于海面,數(shù)據(jù)采集器要求體積小、功耗小、可靠性高[2], 經(jīng)選擇采用 Campbell公司的 CR1000型號(hào)產(chǎn)品, 可滿足低電量、高精度的測(cè)量要求。包括模擬和數(shù)字輸入、輸出及存儲(chǔ), 易于被用戶程序關(guān)聯(lián)的操作系統(tǒng)所控制[3]。數(shù)據(jù)采集器接入的設(shè)備包含風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、氣壓傳感器、多普勒海流剖面儀、濁度葉綠素傳感器、波浪傳感器、方位傳感器和溫鹽深傳感器。

供電系統(tǒng)主要由多組蓄電池并聯(lián)組成, 正常輸出 12 V, 由于部分傳感器需要特定的電壓, 通過(guò)變壓模塊產(chǎn)生48 V和5 V的電壓供特定設(shè)備使用。安裝于浮標(biāo)上部架體4塊面積為0.4 m2的太陽(yáng)能電池板與蓄電池組連接。在有光照的環(huán)境下, 利用控制器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板給蓄電池充電, 當(dāng)蓄電池輸出電壓超過(guò) 17 V時(shí), 過(guò)充保護(hù)電路接通, 太陽(yáng)能板對(duì)蓄電池緩充電; 當(dāng)蓄電池組輸出電壓回落到13.6 V時(shí), 過(guò)充電路解除限制, 恢復(fù)太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池的正常充電。為不可預(yù)見(jiàn)性的停電狀態(tài)下系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供電力, 確保數(shù)據(jù)獲取在時(shí)間序列上的完整性。

浮標(biāo)能源消耗設(shè)備主要分為以下幾個(gè)部分: 傳感器組(溫濕度傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器、氣壓傳感器、ADCP多普勒海流計(jì)、溫鹽深傳感器、濁度葉綠素傳感器、方向方位傳感器、波浪傳感器等), 通信衛(wèi)星和控制單元(數(shù)據(jù)采集、電源控制、漏水報(bào)警、艙蓋報(bào)警、電源監(jiān)測(cè)報(bào)警等)。其能耗參數(shù)的統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 浮標(biāo)主要用電設(shè)備工作參數(shù)Tab.1 Buoy mainly electrical equipment operating parameters

對(duì)于各部件的加電時(shí)序設(shè)計(jì), 充分考慮了各部件能耗, 以保證能源的合理分配和供給。各用電設(shè)備加電時(shí)序設(shè)計(jì)如圖2所示,

圖2 浮標(biāo)傳感器加電時(shí)序圖Fig.2 Sequence diagram of buoy sensors power up

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪x擇上, 根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門的要求, 海上氣象水文數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)要優(yōu)先考慮國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星, 對(duì)比較敏感的剖面數(shù)據(jù)傳輸原則上不得使用國(guó)外衛(wèi)星系統(tǒng)。因此, 考慮到數(shù)據(jù)保密的要求, 浮標(biāo)通信系統(tǒng)采用北斗通信衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)。北斗定位系統(tǒng)可向用戶提供全天候的即時(shí)定位服務(wù), 授時(shí)精度可達(dá)數(shù)十納秒(ns)的同步精度, 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米, 授時(shí)精度約100 ns。

采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) CR1000整合后通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)射模塊發(fā)送到北斗網(wǎng)絡(luò)上, 然后由地面站指定的北斗接收模塊傳入陸基終端計(jì)算機(jī), 然后通過(guò)專門編制的數(shù)據(jù)接收處理軟件進(jìn)行接收, 并對(duì)數(shù)據(jù)解碼、顯示、存儲(chǔ)、打印, 數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.3 The flow chart of data transmission

4 陸基接收模塊

陸基接收模塊系統(tǒng)包含高性能工控計(jì)算機(jī)和接收軟件?？砂从脩粢? 在無(wú)人值守的情況下, 長(zhǎng)期、連續(xù)地記錄浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)的海洋環(huán)境要素。

陸基接收程序?qū)崬闃?biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。軟件方面選擇 Visual C# 作為前臺(tái)開(kāi)發(fā)工具, SQLServer2008作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù), 擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能, 見(jiàn)圖4、圖5。SQL是Structured Query Language的縮寫(xiě), 意思為結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言。SQL語(yǔ)言的主要功能就是同各種數(shù)據(jù)庫(kù)建立聯(lián)系, 進(jìn)行溝通, 被作為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言。SQL語(yǔ)句可以用來(lái)執(zhí)行各種各樣的操作, 例如更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù), 從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)等。該程序具有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的服務(wù)器系統(tǒng), 以及可導(dǎo)出到單機(jī)運(yùn)行的基于 Access平臺(tái)的鏡像部分。硬件方面擬采用專用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

圖4 浮標(biāo)監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Function structure of buoy monitoring software

圖5 深海浮標(biāo)陸基接收系統(tǒng)主界面Fig.5 Software of buoy monitoring system

主界面顯示接收的最近一次的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。左上部分為浮標(biāo)的狀態(tài)顯示, 經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)顯示浮標(biāo)的位置信息, 橫搖和縱搖數(shù)據(jù)顯示浮標(biāo)的姿態(tài)信息,地圖控件顯示浮標(biāo)的直觀工作區(qū)域, “開(kāi)倉(cāng)”、“進(jìn)水”、“漂移”和“錨燈”4個(gè)指示燈顯示浮標(biāo)自身的狀態(tài), 可供陸基工作人員遠(yuǎn)程監(jiān)控。左下方為浮標(biāo)氣象傳感器的數(shù)據(jù)回傳顯示。通過(guò)可視化儀表部件直觀地顯示浮標(biāo)工作海域的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、降水?dāng)?shù)據(jù)。界面右側(cè)整體為水文數(shù)據(jù)的接收窗口, 呈現(xiàn)溫鹽、海流、波浪、濁度、葉綠素等海洋要素的實(shí)時(shí)更新。

導(dǎo)航欄里的按鍵對(duì)應(yīng)不同功能的軟件窗口, 便于數(shù)據(jù)的顯示、查詢、更新及圖表的輸出。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢索, 程序?qū)凑蛰斎氲牟樵儣l件在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索并顯示在表格中。如果想了解某參數(shù)近一段時(shí)間的整體變化, 可以通過(guò)選擇傳感器類型和查詢時(shí)間, 調(diào)出該組數(shù)據(jù)的時(shí)間序列變化曲線。

5 結(jié)束語(yǔ)

多參數(shù)海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)各功能模塊均預(yù)留了可擴(kuò)展的軟硬件接口, 方便浮標(biāo)所搭載傳感器的增減。陸基接收軟件可移植性強(qiáng), 可廣泛服務(wù)于多種規(guī)模的海洋觀測(cè)浮標(biāo), 具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

[1] 張強(qiáng), 王玉峰.海洋浮標(biāo)的非接觸式電能與數(shù)據(jù)傳輸[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2010, 31(11): 2615-2621.

[2] 李秀橋, 賈智平.海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及聚類分析的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2007, 43(9):214-217.

[3] Campbell Company.CR1000 operator’s manual[R].USA: Campbell Company, 2009.