劉 超，王紅霞，蘇彬彬

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

?

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)次接駁盒硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 超，王紅霞，蘇彬彬

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033)

深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)深海海底探測(cè)與研究而提出的課題。在海底觀測(cè)網(wǎng)中,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水下各種觀測(cè)信息的實(shí)時(shí)采集和水下各種傳感設(shè)備的控制，設(shè)計(jì)了一種基于SOC片上系統(tǒng)的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)次級(jí)接駁盒電路控制系統(tǒng)。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建了包括主控芯片模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電能控制模塊、視頻監(jiān)控模塊的次級(jí)接駁盒電路控制系統(tǒng)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期運(yùn)行提供了保證。

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)；次級(jí)接駁盒；SOC片上系統(tǒng)

0 引言

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是指把各種觀測(cè)設(shè)備放在海底，通過各種水下傳感節(jié)點(diǎn)(可以是固定的，如水下錨定的浮標(biāo)，水下接駁盒;也可以是移動(dòng)的，如水下機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)對(duì)水下各種信息的實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè))，最終通過有線或無線的方式將信息傳遞給基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底地震、地殼內(nèi)流體和生物等活動(dòng)的長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)時(shí)地觀測(cè)[1-2]。目前國(guó)外建立了相對(duì)成熟的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，有美國(guó)和加拿大的海王星海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、歐洲的ESONET海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、日本的ARENA、DONET海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[3-4]。國(guó)內(nèi)也建成了一些海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)，一般由控制和傳輸模塊、海底光電復(fù)合纜、水下接駁盒、各種外接科學(xué)儀器組成。而水下接駁盒作為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，是一種基于電能供應(yīng)和信息采集、轉(zhuǎn)換和處理的自動(dòng)控制裝置，是進(jìn)行海底觀測(cè)傳感器和主干傳輸網(wǎng)進(jìn)行電氣和數(shù)據(jù)連接的設(shè)備[5]。主要包括主控模塊、信息采集模塊、傳輸模塊和供電模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)儀器的有效控制和各種觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效傳輸和管理。本課題設(shè)計(jì)了次級(jí)接駁盒的硬件結(jié)構(gòu)，通過搭載各種傳感器實(shí)時(shí)采集各種信息，最終通過主干網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到岸基監(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)把岸基和岸基，岸基和水下主接駁盒之間的連接稱為主干傳輸網(wǎng)，接駁盒和觀測(cè)傳感設(shè)備之間的連接稱為傳輸子網(wǎng)，形成了監(jiān)控中心層、水下接駁層、觀測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)層3層設(shè)備和主干傳輸網(wǎng)和傳輸子網(wǎng)的兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[6-7]。監(jiān)控中心層主要由監(jiān)控中心、供電模塊、傳輸模塊3部分組成，主要硬件設(shè)備包括監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、岸基供電設(shè)備、155 M光端機(jī)等。觀測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)層由各種水下傳感器組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)海底各種信息的實(shí)時(shí)采集。水下接駁層作為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，由主接駁盒和次接駁盒組成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水下各種傳感設(shè)備的供電和信息的采集與控制[8]。

2 接駁盒電路硬件設(shè)計(jì)

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)水下次級(jí)接駁盒里面布放了155 M光端機(jī)、FE光貓、2 M光貓等傳輸設(shè)備、恒流轉(zhuǎn)恒壓、恒壓轉(zhuǎn)恒壓等電能轉(zhuǎn)換設(shè)備和傳感器、C8051F020單片機(jī)控制模塊和控制繼電器等控制設(shè)備。海底觀測(cè)網(wǎng)路通過岸基監(jiān)控中心層對(duì)次級(jí)接駁盒的下位機(jī)軟件進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)各種海底觀測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)采集和電能控制等功能。圖1是海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)接駁盒節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 水下接駁盒節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

其中次級(jí)接駁盒中的DS-6100視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底攝像機(jī)圖像信息的采集和傳輸。電壓轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)基站傳輸來的恒流電能的轉(zhuǎn)換，得到適合各種海底觀測(cè)傳感器使用的恒壓電能。C8051F020采集控制卡實(shí)現(xiàn)了海底觀測(cè)傳感器工作電壓和溫濕度等信號(hào)的采集和監(jiān)測(cè)，并且出現(xiàn)異常情況時(shí)，通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)工作電壓的切斷。同時(shí)ADAM4060能夠接收基站監(jiān)控中心的控制指令，通過控制的開關(guān)觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈、攝像機(jī)、視頻服務(wù)器的供電控制。

3 海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)硬件模塊化設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片電路設(shè)計(jì)

次級(jí)接駁盒的主控芯片模塊主要由C8051F020 SOC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)是采用CIP-51內(nèi)核的片上系統(tǒng)，具有系統(tǒng)資源豐富、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水下各種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、對(duì)科學(xué)儀器各種供電、運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制和科學(xué)儀器的電能分配，是次級(jí)接駁盒的核心模塊[9-10]。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 接駁盒主控節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)主控芯片的硬件結(jié)構(gòu)框圖可以進(jìn)行主控模塊外圍電路的設(shè)計(jì)，其電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，利用AS1117將供電模塊提供的5 V電壓到轉(zhuǎn)換為可供主控芯片使用的3.3 V電壓，采用DC-DC模塊S05A05L將5 V供電電源輸出為±5 V電源為L(zhǎng)M258芯片供電。

圖3 主控模塊電壓轉(zhuǎn)換電路

圖4為C8051F020單片機(jī)和MAX3485的通信接口電路。由于RS485為半通信方式，所以在利用RS485總線進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)通過控制MAX3485的RE和DE兩個(gè)引腳的高低電平來實(shí)現(xiàn)接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。在本電路設(shè)計(jì)中，將RE和DE引腳接在一起，通過單片來控制收發(fā)。

圖4 RS485串行通信電路

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、深度、電壓等參數(shù)的檢測(cè)，通過特定傳感器利用各種物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)以及生物效應(yīng)把被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，通過主控模塊進(jìn)行采集。

3.2.1 溫濕度采集模塊

溫度采集模塊主要確保溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，當(dāng)溫度超過預(yù)定值時(shí)，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行人為的控制，關(guān)閉相應(yīng)的供電模塊，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。AM2301集成數(shù)字式溫濕度傳感器具有體積小、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠進(jìn)行接駁盒內(nèi)部溫度和濕度的檢測(cè)。其測(cè)溫電路如圖5所示。

圖5 AM2301應(yīng)用電路

3.2.2 電壓采集模塊

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電源模塊提供的電壓是標(biāo)準(zhǔn)的5 V、12 V、24 V，即整個(gè)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓范圍為5～24 V，可以利用電量隔離傳感器進(jìn)行電壓的隔離和變換，取得與被測(cè)電壓成正比的0～5 V信號(hào)電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由采集模塊接收，然后通過傳輸模塊傳送給監(jiān)控中心。本課題采用WBV121G07電壓隔離傳感器進(jìn)行系統(tǒng)供電設(shè)備直流電壓的檢測(cè)，該電壓隔離傳感器采用線性光電隔離原理，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成跟蹤輸入信號(hào)的、有一定隔離能力的標(biāo)準(zhǔn)跟蹤電壓(VG)輸出，能直接和計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接連接。

3.2.3 深度采集模塊

采用HSTL系列投入式液位變送器來實(shí)現(xiàn)對(duì)接駁盒深度的測(cè)量，該投入式液位傳感器有2種輸出信號(hào)方式，不同輸出方式采用不同的接線方式，本課題采用三線制輸出電壓方式,其電壓輸出連接如圖6所示。投入式液位傳感器分別引出3根線，供電線分別和供電模塊的正極、負(fù)極連接，信號(hào)線和主控模塊的電壓模擬信號(hào)AIN采集口連接。

圖6 投入式液位傳感器電壓輸出接線圖

3.3 電能控制模塊

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)次級(jí)接駁盒的電能控制模塊主要實(shí)現(xiàn)電能的保護(hù)、分配和調(diào)度。當(dāng)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)布放完成后，其對(duì)應(yīng)的線路或者端口已經(jīng)完全確定，可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將電能分配到既定的端口，也可以對(duì)發(fā)生故障的端口進(jìn)行電能的強(qiáng)制斷開，達(dá)到故障隔離的目的。電能控制模塊采用硬件控制、軟件處理、人為干預(yù)相結(jié)合的控制方式，通過分級(jí)控制策略，可以有效提高系統(tǒng)的安全性和可靠性[11]。

本課題將電能控制等級(jí)劃分為3個(gè)級(jí)別：第一級(jí)別主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種傳感設(shè)備的開啟和關(guān)閉，傳感設(shè)備功能異常的處理，該級(jí)別危險(xiǎn)性是最低的，采用人工干預(yù)方式，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)的控制，干預(yù)時(shí)間一般為min級(jí)別。第二級(jí)主要是接駁盒內(nèi)部各設(shè)備供電發(fā)生異常，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的電流、電壓超過額定值時(shí)，即判斷設(shè)備供電發(fā)生異常，一般采用下位機(jī)主控軟件采集供電電壓并進(jìn)行相應(yīng)判斷來實(shí)現(xiàn)，處理時(shí)間一般為s級(jí)別。第三級(jí)主要是供電模塊的過壓和短路，供電模塊肩負(fù)著整個(gè)水下信息網(wǎng)絡(luò)供電，對(duì)系統(tǒng)影響最大，故障處理時(shí)間應(yīng)該最短，這一級(jí)別操作直接由供電模塊硬件電路完成，軟件不參與，處理時(shí)間一般為ms級(jí)別。

海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)電能分配模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示。在圖中，可以看到主要采用兩個(gè)控制模塊進(jìn)行電能的控制，根據(jù)前面提到的分級(jí)控制策略分為3個(gè)層次。第一級(jí)別是岸基工作人員通過基站監(jiān)控中心向水下ADAM4060進(jìn)行控制命令的下達(dá)，ADAM4060控制模塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，完成對(duì)傳感設(shè)備和供電模塊的控制。第二級(jí)別是C8051F020主控模塊自主完成對(duì)傳感設(shè)備的控制，沒有人工的參與，首先在前期的C8051F020軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)定相應(yīng)采集電壓的閾值，在主控模塊工作中通過模擬外設(shè)ADC0進(jìn)行各種傳感模塊電壓的采集，如果采集到的電壓不在閾值范圍之內(nèi)則觸發(fā)P1口控制繼電器工作，進(jìn)行斷開命令，防止電壓過大使設(shè)備損壞，同時(shí)向岸基發(fā)送相應(yīng)的控制信息。第三級(jí)別主要由供電模塊自身硬件電路完成，這里不在贅述。

圖7 水下信息網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)電能分配結(jié)構(gòu)

3.4 視頻監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

水下視頻采集模塊是水下信息網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水下視頻信息長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)的觀測(cè)[12]。本課題水下視頻監(jiān)控模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示，從圖8可以看到整個(gè)視頻采集模塊硬件部分分為接駁盒內(nèi)部和接駁盒外部2部分，接駁盒外部的攝像機(jī)通過6芯電干插拔接口和接駁盒內(nèi)部的視頻服務(wù)器和水下攝像機(jī)供電接口連接，其中2根信號(hào)線通過BNC接口將視頻信號(hào)接入到視頻服務(wù)器最終通過傳輸模塊上傳到岸基監(jiān)控中心。其中4根信號(hào)線分別進(jìn)行水下攝像機(jī)和水下攝像機(jī)照明系統(tǒng)的供電，并通過ADAM4060進(jìn)行電能的通斷控制，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)和攝像機(jī)照明燈的遠(yuǎn)程控制。

圖8 視頻采集模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

4 次級(jí)接駁盒電路測(cè)試與試驗(yàn)

完成次級(jí)接駁盒硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)整個(gè)次級(jí)接駁盒系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，再接上溫濕度傳感器、WBV121電壓測(cè)量傳感器、深度計(jì)、程控?zé)?、水下攝像機(jī)等傳感設(shè)備，并通過主接駁盒傳輸模塊將次級(jí)接駁盒系統(tǒng)和岸基監(jiān)控中心相連。次級(jí)接駁盒將水下各種信息實(shí)時(shí)的上傳給岸基，并且可以通過岸基控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)水下用電設(shè)備的管理。采集到的水下信息如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖

5 結(jié)束語

采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)次級(jí)接駁盒硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以C8051F020 單片機(jī)為核心進(jìn)行了主控制模塊電路、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)，同時(shí)提出了次級(jí)接駁盒電能分級(jí)控制策略，并利用C8051F020單片機(jī)和ADAM4060繼電器進(jìn)行了電能分配硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最后設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了次級(jí)接駁盒的視頻采集模塊?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該次級(jí)接駁盒硬件系統(tǒng)功能強(qiáng)大，電路硬件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期運(yùn)行提供了重要保障。

[1] PERSON R,AOUSTIN Y,BLANDIN J,et al.From bottom landers to observatory networks .Annals of Geophysics,2006,49(2)：581-593.

[2] 盧漢良，李德駿，楊燦軍，等.深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)水下接駁盒原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2010,44(1)：8-13.

[3] DELANEY J,HEATH G R,CHAVE A，et al .NEPTUNE:real-time，long-term ocean and earth science at the scale of a tectonic plate，long-tgerm.Oceans 2001MTS/IEEE-An Ocean Odyssey.Honolulu,2001.

[4] Monterey Bay Aquarium Research Institude:Mars Cabled Observatory Overview[EB/OL].[2014-06-02].www.mbari.org/mars.

[5] 張平官，李小敏，凌嵐．海底觀測(cè)—科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

[6] 劉超，王紅霞，魏巍，等.海底觀測(cè)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).光通信技術(shù)，2014，(1)：14-17.

[7] 盧漢良，李德駿，楊燦軍.深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)信息采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(3):407-411.

[8] 李德駿，楊竣程，林冬冬，等.單片機(jī)與CPLD技術(shù)的海底接駁盒電能監(jiān)控系統(tǒng).浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2012,46(8):1369-1374.

[9] 朱品偉.基于C8051F020 的心肺復(fù)蘇系統(tǒng):[學(xué)位論文].武漢:華中科技大學(xué),2006.

[10] 薛志剛，金波，李德駿，等．海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)研究．輕工機(jī)械，2010，28(4)：83-86.

[11] 薛志剛.深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)研究：[學(xué)位論文].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[12] 李小三，楊燦軍，陳燕虎，等.海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).船舶工程，2011，33(1)：65-69.

Hardware Design and Implementation of Seafloor Observatory Network Secondary Junction Box

LIU Chao,WANG Hong-xia，SU Bin-bin

(College of Electric Engineering,Navy University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The seafloor observatory network was put forward aiming at the probe and research on the ocean bed.In the seafloor observatory network,in order to realize the underwater real-time collection of various observed information and underwater real-time control of various sensors,a seafloor observatory network secondary junction box circuit control system was designed based on the SOC chip system.The test result of experiments shows that the system can operate reliably and stably,and it provides the guarantee for long-term operation of seafloor observatory network.

Seafloor observatory network;secondary junction box;SOC chip system

2014-05-22 收修改稿日期：2014-11-05

TN202

A

1002-1841(2015)04-0038-04

劉超(1989—)，研究生，主要研究方向?yàn)楹９饫|通信技術(shù)。 王紅霞(1970—)，副教授，主要研究方向?yàn)楹９饫|通信技術(shù)。E-mail:generaladolph@163.com