劉承橋，張耀南，馮克庭，李柏年，楊永如

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州730000;2.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州730000;3.甘肅省資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州730000)

0 引 言

冰川作為生態(tài)環(huán)境中非常重要的一部分，長(zhǎng)期以來是各國科學(xué)家們重點(diǎn)研究的對(duì)象［1］。采集冰川參數(shù)是冰川研究工作的重要組成部分，但是，由于冰川地理環(huán)境惡劣(如高寒、缺氧等)，數(shù)據(jù)采集工作受到了很大的限制，給冰川研究工作帶來了諸多不利影響。近年來，冰川參數(shù)的采集逐漸由人工向自動(dòng)化發(fā)展，諸多冰川參數(shù)采集系統(tǒng)已經(jīng)面世。但這些系統(tǒng)由我國自主研發(fā)的甚少，并且還存在著諸如自動(dòng)化程度不高、功耗大等問題，這些因素都給我國的冰川研究工作帶來了諸多不利影響［2］。

本文提出一種精度較高、功耗低、可靠性較高、成本較低的自動(dòng)冰川參數(shù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了冰川溫度與濕度、冰川地理坐標(biāo)、雪高度等參數(shù)自動(dòng)測(cè)量和存儲(chǔ)，對(duì)我國的冰川研究工作有著重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由三大部分組成:主控制器、數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

系統(tǒng)的主控制器通過電子開關(guān)與其他模塊連接，每個(gè)開關(guān)均由程序控制，相應(yīng)開關(guān)閉合，與其相連接的模塊被供電進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)所有測(cè)量工作結(jié)束并且數(shù)據(jù)傳輸完成之后，斷開所有開關(guān)，所有外圍模塊停止工作，主控制器進(jìn)入低功耗模式，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以達(dá)到低功耗的目的。系統(tǒng)主要采用低功耗元器件設(shè)計(jì)而成，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of system

1.1 主控制器

主控制器選用功耗和成本均較低的MSP430F149 單片機(jī)。MSP430F149 是TI 公司推出的16 位微處理器，支持1.8～3.6 V 電壓供電，全速運(yùn)行時(shí)的電流僅為280 μA，休眠狀態(tài)微處理器的電流只有0.1 μA;支持五種省電模式，同時(shí)具有很快的喚醒速度，喚醒時(shí)間僅為6 μs;片內(nèi)集成12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，兩種定時(shí)器，2 個(gè)UART 通信端口，以及比較器，運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為－40～+85 ℃［3］。

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

數(shù)據(jù)測(cè)量主要包括時(shí)鐘、溫度與濕度測(cè)量、雪高度測(cè)量、定位、電源管理五部分。

1.2.1 時(shí)鐘

時(shí)鐘用于為系統(tǒng)工作提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，定時(shí)喚醒系統(tǒng)使其進(jìn)入工作狀態(tài)。該系統(tǒng)中的時(shí)鐘模塊采用PHILIPS公司推出的一種工業(yè)級(jí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563。PCF8563 含I2C 總線接口，功耗極低，具有報(bào)警功能、定時(shí)功能、時(shí)鐘輸出功能和中斷輸出功能，能夠完成各種復(fù)雜的定時(shí)任務(wù)。

1.2.2 溫度與濕度測(cè)量

該系統(tǒng)采用Sensirion 公司生產(chǎn)的高性能、高精度的數(shù)字溫濕度傳感器SHT21 測(cè)量溫度與濕度。SHT21 的供電電壓為3.3 V;工作溫度范圍為－40～+125 ℃;溫度測(cè)量范圍為－40～+125 ℃，測(cè)量精度為±0.3 ℃;濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，測(cè)量精度為±2%RH。正常工作情況下，SHT21的功耗只有0.9 μW。

1.2.3 雪高度測(cè)量

通過分析雪高度的變化，研究人員可以知道冰川上冰雪的融化情況［4］。該系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距模塊US—100 測(cè)量雪高度。US—100 超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2～4.5 m 的非接觸測(cè)距功能，擁有2.4～5.5 V 的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)采用的是US—100 的電平觸發(fā)模式。工作時(shí)，系統(tǒng)向US—100 的Trig/TX 管腳輸入一個(gè)10 μs 以上的高電平，US—100 便可發(fā)出8 個(gè)40 kHz 的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后，US—100 還要測(cè)量溫度，然后根據(jù)當(dāng)前溫度值對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過US—100 的Echo/RX 管腳輸出。系統(tǒng)可在US—100 的Echo/RX 管腳接收到一高電平，根據(jù)公式s=0.17t 即可計(jì)算出距離。其中，s 為US—100 的探頭到雪面的距離，mm;t 為US—100 的Echo/RX 管腳發(fā)出高電平的持續(xù)時(shí)間，μs。

1.2.4 定 位

通過對(duì)冰川的經(jīng)緯度和海拔高度的長(zhǎng)期觀測(cè)分析，研究人員可以獲知冰川的運(yùn)動(dòng)情況［5］。該系統(tǒng)使用高精度GPS 進(jìn)行定位［6］。

GPS 直接與MSP430F149 的串口1 相連接，系統(tǒng)可直接通過該串口獲得GPS 數(shù)據(jù)。GPS 數(shù)據(jù)大，包含內(nèi)容多，在某一時(shí)刻，系統(tǒng)通過該串口接收GPS 數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，而上位機(jī)需要的只是其中的時(shí)間、經(jīng)緯度和海拔高度，所以，系統(tǒng)需要通過程序?qū)r(shí)間、經(jīng)緯度和海拔高度從眾多的數(shù)據(jù)中提取出來。在該系統(tǒng)中，程序先找到GPPGA 標(biāo)志，然后根據(jù)相對(duì)位置矢量，從GPPGA 后面的數(shù)據(jù)中提取出時(shí)間、經(jīng)緯度和海拔高度等數(shù)據(jù)。

1.2.5 電源管理

在冰川地區(qū)，監(jiān)測(cè)設(shè)備依靠太陽能供電，即將太陽能電池板產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在蓄電池中［7］，再由蓄電池給監(jiān)測(cè)設(shè)備供電。但是，蓄電池的欠壓或過充不僅會(huì)縮短自身的使用壽命，還會(huì)給用電系統(tǒng)造成不良影響。為了延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，讓整個(gè)系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定工作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)在每次工作時(shí)，都會(huì)檢測(cè)電池電量。當(dāng)電量過低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過太陽能電池板給蓄電池充電;當(dāng)蓄電池的電量達(dá)到使用要求時(shí)，充電停止。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸

1.3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用哈佛結(jié)構(gòu)，包括命令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器兩部分。

命令存儲(chǔ)器主要用來存儲(chǔ)控制命令，如操作模式命令和節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)等。該系統(tǒng)用AT24C02 作為命令存儲(chǔ)器，AT24C02 是2 kB 串行I2C 總線EEPROM 芯片。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)用SD 卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

1.3.2 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)采用Zig Bee 技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需要，Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)可組成星型、樹狀和網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［8，9］，Zig Bee 的這種自由路由組網(wǎng)功能，適宜在冰川復(fù)雜地形區(qū)域組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化。

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸模塊選用的是順舟科技SZ05 系列嵌入式無線通信模塊。該模塊集成了符合IEEE 802.15 Zig Bee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通信距離遠(yuǎn)(在無遮擋場(chǎng)地傳輸距離最大可達(dá)2000 m，接上高增益定向天線后，傳輸距離更遠(yuǎn))、抗干擾能力強(qiáng)、自由路由組網(wǎng)靈活、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)和特性;可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作流程圖如圖2 所示。其中“C”表示系統(tǒng)接收到的命令，“C1”，“C2”，“C3”，“C4”，“C5”分別表示設(shè)置系統(tǒng)ID 命令、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間命令、手動(dòng)測(cè)試命令、自動(dòng)測(cè)試命令、其他命令即錯(cuò)誤命令。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig 2 Working flow chart of system

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先開啟數(shù)據(jù)傳輸模塊，等待上位機(jī)發(fā)來命令。為了簡(jiǎn)化操作，該系統(tǒng)只識(shí)別四種命令，分別是設(shè)置系統(tǒng)ID 命令，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間命令，手動(dòng)測(cè)試模式命令和自動(dòng)測(cè)試模式命令，其他均為錯(cuò)誤命令。系統(tǒng)開始工作后，將有30 s 時(shí)間等待上位機(jī)命令。在這30 s 內(nèi)，如果上位機(jī)傳來正確命令，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)命令執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，如果上位機(jī)傳來錯(cuò)誤命令，則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試模式。當(dāng)?shù)却龝r(shí)間超過30 s 后，系統(tǒng)會(huì)直接進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試模式。

設(shè)置系統(tǒng)ID，是為了識(shí)別測(cè)量數(shù)據(jù)所屬節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸采用的是星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其示意圖如圖3所示。為了正確識(shí)別測(cè)量數(shù)據(jù)所屬節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的編號(hào)，即系統(tǒng)的ID 號(hào)。通過識(shí)別ID 號(hào)，就能夠獲知數(shù)據(jù)所屬節(jié)點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig 3 Network topology structure diagram of system

設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間，是為了給系統(tǒng)工作提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，方便研究人員從時(shí)域上研究冰川的變化規(guī)律。另一方面，系統(tǒng)要做到實(shí)時(shí)測(cè)量，每天要對(duì)冰川進(jìn)行多次測(cè)量，數(shù)據(jù)量必然很大，為了方便使用者的查詢和使用，所有文件按照測(cè)量日期命名，一天之內(nèi)測(cè)量的數(shù)據(jù)放在同一個(gè)文件當(dāng)中。使用者只需按照文件名檢索文件，就能夠得到某一天的測(cè)量數(shù)據(jù)。

手動(dòng)測(cè)試模式是該系統(tǒng)的一項(xiàng)最基本工作模式，在此工作模式下，系統(tǒng)只有收到相應(yīng)測(cè)試命令后才會(huì)進(jìn)行一次測(cè)量，其余時(shí)間則是等待命令。工作人員可以通過每次測(cè)量的情況，判斷出整個(gè)系統(tǒng)和系統(tǒng)中各部分的工作情況，所以，手動(dòng)測(cè)試模式主要用于儀器的調(diào)試和維護(hù)。

自動(dòng)測(cè)試模式是該系統(tǒng)的主要工作模式。在此工作模式下，系統(tǒng)被時(shí)鐘產(chǎn)生的中斷喚醒之后才能工作。系統(tǒng)根據(jù)人們的需求，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)測(cè)量和等時(shí)間間隔測(cè)量。當(dāng)系統(tǒng)被喚醒之后，開啟所有外圍模塊，進(jìn)入工作狀態(tài)，待測(cè)量過程和數(shù)據(jù)傳輸完畢后，關(guān)閉所有外圍模塊，單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至再次被時(shí)鐘中斷喚醒。

自動(dòng)測(cè)試模式下，系統(tǒng)只有在測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)外圍模塊才被供電，系統(tǒng)功耗達(dá)到最大。但是測(cè)量時(shí)間持續(xù)很短，所有的測(cè)量和傳輸在90 s 之內(nèi)全部完成，所以，耗能較低。而在休眠時(shí)，外圍模塊被斷電，主控制器處在低功耗模式，整個(gè)系統(tǒng)耗能極低。

3 系統(tǒng)實(shí)際工作情況

3.1 系統(tǒng)功耗

在實(shí)際工作過程中，系統(tǒng)采用5 V 電壓供電，其功耗情況如下表1 所示。從表1 可知，在一個(gè)工作周期中，當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，最大功率為0.8 W，而當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，功率只有0.05 W?？梢娤到y(tǒng)的整體功耗是較低的。

3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸結(jié)果

目前，該系統(tǒng)在八一冰川觀測(cè)站和馬銜山觀測(cè)站試用。表2～表4 為系統(tǒng)是在八一冰川試用后的部分結(jié)果。其中表2 是1#節(jié)點(diǎn)SD 卡中存儲(chǔ)的文件，均以日期為文件名，使用者能夠輕松找到某一天的數(shù)據(jù);表3 是1#節(jié)點(diǎn)在2014 年8 月3 日采集到的數(shù)據(jù)，共24 次，使用者可以非常方便地看到一天中0～23 時(shí)的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、雪高度的變化，海拔高度等。表4 為數(shù)據(jù)中心(蘭州)接收到的部分節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用者也可以通過數(shù)據(jù)中心獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 1#節(jié)點(diǎn)的SD 卡中存儲(chǔ)的文件Tab 2 Files stored in SD card of node 1

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)耗能較低，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)測(cè)量和等時(shí)間間隔測(cè)量，并能夠自動(dòng)存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化。此外，該系統(tǒng)指令較少，操作方便;系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次分明，便于維護(hù);組網(wǎng)便捷，傳輸效率高。

該系統(tǒng)不僅適用于冰川環(huán)境中，也適用于沙漠，戈壁灘等其它惡劣復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，可以快速組建臨時(shí)性或季節(jié)性野外環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);不僅適用于科學(xué)研究，也適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供服務(wù)，該系統(tǒng)適用范圍較廣，具有很高的推廣和使用價(jià)值。

表3 1#節(jié)點(diǎn)一天中采集到的數(shù)據(jù)Tab 3 Collected datas by node 1 in one day

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