饒開友, 紀(jì)旭鵬, 陳健梅, 李 濤, 董永軍, 孫 超, 張洪彬, 姚 楠, 郭景富

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極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

饒開友1, 2, 紀(jì)旭鵬3, 陳健梅1, 2, 李 濤3, 董永軍1, 2, 孫 超1, 2, 張洪彬1, 2, 姚 楠1, 2, 郭景富1, 2

(1. 東北師范大學(xué) 物理學(xué)院, 吉林 長春 130024; 2. 吉林省先進(jìn)能源開發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 吉林 長春 130024; 3. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100)

針對極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)長期穩(wěn)定獲取極區(qū)水文和氣象數(shù)據(jù)的工作需求, 進(jìn)行了浮標(biāo)系統(tǒng)的低功耗方案設(shè)計(jì)。該方案基于超低功耗51系列微處理器, 根據(jù)最低功耗工作模式與最短工作時(shí)間原則, 采用高效的電源管理機(jī)制對浮標(biāo)系統(tǒng)各個(gè)部分的能量消耗進(jìn)行合理的分配與管理, 并應(yīng)用了Argos衛(wèi)星通訊模塊ARGOS-3 PMT-RFM的BPSK調(diào)制低速數(shù)據(jù)傳輸模式, 可有效降低浮標(biāo)系統(tǒng)的整體能耗。該浮標(biāo)在北極冰站上長達(dá)1年的運(yùn)行情況表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定, 所采用的低功耗能量管理方案實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)系統(tǒng)長期連續(xù)觀測的需求。該浮標(biāo)的成功試驗(yàn)和推廣應(yīng)用有助于極地研究人員更準(zhǔn)確地分析海冰變化過程。

低功耗; 剖面浮標(biāo); 微處理器; 能量管理; ARGOS-3衛(wèi)星通訊

近年來, 愈演愈烈的全球氣候變化導(dǎo)致的極區(qū)海冰及冰蓋變化加速[1], 包括中國在內(nèi)的世界各國對氣候敏感的南北極區(qū)域的關(guān)注度日益增加。利用浮標(biāo)觀測系統(tǒng)獲取極區(qū)海洋水文氣象數(shù)據(jù)是研究海冰快速變化過程進(jìn)而預(yù)測全球氣候變化的重要手段[2]。冰基剖面浮標(biāo)是在ARGO (Array for Real-time Geostrophic Oceanography)計(jì)劃背景下發(fā)展而來的專門針對極區(qū)海冰條件及惡劣氣候環(huán)境獲取冰下海洋數(shù)據(jù)的儀器[3-4]。冰基剖面浮標(biāo)不同于普通的極區(qū)冰上浮標(biāo)表現(xiàn)在: 數(shù)據(jù)量需求大, 機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)行程序復(fù)雜, 整體功耗偏大。因此為保證剖面浮標(biāo)系統(tǒng)長期穩(wěn)定獨(dú)立運(yùn)行, 需進(jìn)行合理的低功耗方案設(shè)計(jì)。

國際上極區(qū)海洋剖面浮標(biāo)應(yīng)用較為廣泛的是美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)研制的ITP(Ice-Tethered Profiler)浮標(biāo)以及加拿大Metocean公司與日本海洋地球科技中心聯(lián)合研制的POPS(Polar Ocean Profiling System)系統(tǒng)[5-6]。這兩套浮標(biāo)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是下潛深度大、采集數(shù)據(jù)多、設(shè)計(jì)壽命長等, 存在的問題是體積重量大、制作及布放成本高, 同時(shí)這兩套系統(tǒng)的剖面浮標(biāo)爬升方式限制了其冰下海洋最上層水文數(shù)據(jù)的采集。

受限于極地科考條件以及儀器開發(fā)布放成本, 國內(nèi)關(guān)于海洋剖面浮標(biāo)的研究主要集中在近海開闊性海洋監(jiān)測領(lǐng)域, 幾種不同類型的技術(shù)應(yīng)用包括: 傳感器節(jié)點(diǎn)固定的錨鏈?zhǔn)狡拭娓?biāo)[7-8]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)爬升的系纜式剖面測量平臺[9]以及浮力控制的深海垂直剖面觀察系統(tǒng)[10]等。針對極區(qū)冰下海洋剖面的測量, 2003年國家海洋技術(shù)中心在北極布放了自行研制的極區(qū)衛(wèi)星跟蹤水文氣象觀測浮標(biāo)[11], 但該浮標(biāo)僅能夠獲得3組溫鹽數(shù)據(jù), 不能滿足極地研究的實(shí)際需求。目前, 國內(nèi)對于極區(qū)海洋剖面浮標(biāo)的研究仍處于探索試驗(yàn)階段。

針對國內(nèi)極區(qū)環(huán)境條件下監(jiān)測儀器技術(shù)欠缺的現(xiàn)狀以及對冰下海洋最上層水文信息的研究需求, 東北師范大學(xué)與中國海洋大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)研制了一種極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)。本文針對該浮標(biāo)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)觀測的目標(biāo), 設(shè)計(jì)了浮標(biāo)控制系統(tǒng)的高效電源管理方案, 對浮標(biāo)系統(tǒng)各功能模塊的能量消耗進(jìn)行合理的分配與管理, 并采用了Argos衛(wèi)星模塊的低速低功耗數(shù)據(jù)傳輸模式, 可有效降低該浮標(biāo)系統(tǒng)的整體運(yùn)行功耗, 延長浮標(biāo)的工作壽命。

1 系統(tǒng)概述

極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)系統(tǒng)主要由冰上浮標(biāo)、拖曳通訊線纜以及剖面浮標(biāo)三大部分組成, 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

冰上浮標(biāo)集成冰上氣象信息采集、GPS定位信息獲取、系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合處理、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊、剖面浮標(biāo)工作狀態(tài)控制等主要功能, 核心為STC15系列單片機(jī)。剖面浮標(biāo)以Argo浮標(biāo)為原型設(shè)計(jì), 主要利用CTD(conductance, temperature, depth)傳感器獲取溫度、鹽度及深度等海洋剖面信息, 同樣以STC15系列單片機(jī)作為控制器。冰上主機(jī)與水下從機(jī)通過一條長為125 m的定制通信線纜相連接, 并以RS-485數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

浮標(biāo)系統(tǒng)正常工作時(shí), 從機(jī)對剖面浮標(biāo)在不同深度采集到的剖面信息進(jìn)行初步處理后打包發(fā)送至主機(jī), 主機(jī)對接收到的剖面信息進(jìn)行篩選并將最有價(jià)值的數(shù)據(jù)打包成衛(wèi)星傳輸所需要的格式發(fā)送給衛(wèi)星通訊模塊, 衛(wèi)星通訊模塊根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)設(shè)置自主向遠(yuǎn)程地面中心發(fā)送數(shù)據(jù)。對于冰上浮標(biāo)采集到的氣象數(shù)據(jù)及GPS信息, 采用單獨(dú)打包的方式發(fā)送, 避免與剖面數(shù)據(jù)混淆。

2 低功耗方案設(shè)計(jì)

極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)需分析該系統(tǒng)的主要耗能形式, 主要為控制器能耗、外圍傳感器工作能耗、剖面浮標(biāo)泵油電機(jī)能耗以及衛(wèi)星通信能耗。由于主從機(jī)控制器分別控制著各自相關(guān)的模塊工作, 因此主機(jī)控制系統(tǒng)與從機(jī)控制系統(tǒng)的電源管理采用不同的方式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)功耗較高, 工作模式多樣, 這里單獨(dú)提出分析設(shè)計(jì)其低功耗工作模式。

2.1 主機(jī)低功耗設(shè)計(jì)

主機(jī)控制系統(tǒng)以STC15系列單片機(jī)為核心, 其與外圍模塊連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 主機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

STC15系列單片機(jī)具有高速、寬電壓、低功耗、抗干擾等特點(diǎn), 典型工作電流為2.7~7 mA, 有低速、空閑、停機(jī)(休眠)三種低功耗電源管理模式, 其中休眠模式的典型功耗小于0.1μA。進(jìn)入休眠模式后, 單片機(jī)可由外部中斷以及串口接收管腳電平變換喚醒, 喚醒后從上次設(shè)置單片機(jī)進(jìn)入休眠模式語句的下一條語句開始往下執(zhí)行[12]。

數(shù)字化檔案的文種形式、載體形式、表達(dá)形式都具有多樣性，因此數(shù)字化檔案信息具有多源異構(gòu)的特點(diǎn)，要建立統(tǒng)一的檔案信息關(guān)聯(lián)模型，需要分別采用不同的特征提取方法對多種類型的檔案進(jìn)行特征提取，其中特征信息可能包括時(shí)間、人物、地點(diǎn)、類型、保管期限、著錄機(jī)構(gòu)等。有的特征信息可以通過著錄項(xiàng)獲取，有的特征信息需要使用模式識別等人工智能技術(shù)從檔案內(nèi)容中提取，這些特征信息都是檔案的屬性數(shù)據(jù)，不同的屬性數(shù)據(jù)分屬不同的特征視圖，將提取到的特征按照不同的視圖分別構(gòu)建特征關(guān)聯(lián)圖，再使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)融合多個(gè)視圖下的特征關(guān)聯(lián)圖，最終得到檔案信息關(guān)聯(lián)模型。為了描述方便，對檔案關(guān)聯(lián)模型中的基本元素進(jìn)行如下定義：

以STC15單片機(jī)為核心的主機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)不同數(shù)據(jù)時(shí)序密度要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、打包、發(fā)送工作, 并按照自由設(shè)定的時(shí)間對從機(jī)進(jìn)行喚醒操作。如圖2結(jié)構(gòu)所示, 對于外圍傳感器和其他非連續(xù)工作器件均由主控制器通過電源芯片控制其供電端, 工作時(shí)進(jìn)行供電, 不工作及時(shí)掉電處理。主控制系統(tǒng)在完成設(shè)定的工作程序之后將進(jìn)入空閑時(shí)段, 此時(shí)除電源芯片及時(shí)鐘芯片等必要器件之外的外圍部分均處于掉電狀態(tài), 單片機(jī)進(jìn)入休眠模式將控制器的工作能耗降到最低水平, 下次喚醒方式為時(shí)鐘芯片產(chǎn)生的鬧鐘作為單片機(jī)的外部中斷事件觸發(fā)喚醒。

2.2 從機(jī)低功耗設(shè)計(jì)

從機(jī)控制系統(tǒng)主要功能為控制剖面浮標(biāo)的上升下潛動(dòng)作以及處理CTD傳感器采集的溫鹽深數(shù)據(jù), 并與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。從機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 從機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從機(jī)控制系統(tǒng)同樣以STC15系列單片機(jī)為控制器。剖面浮標(biāo)采用美國海鳥公司的SBE41型CTD傳感器, 其工作電壓范圍為7~16 V, 采樣時(shí)的峰值電流為350 mA(工作電壓12 V)。泵油電機(jī)的額定電壓為24 V, 額定電流120 mA。由于CTD傳感器在較大深度范圍內(nèi)連續(xù)工作以及剖面浮標(biāo)泵油電機(jī)工作的高能耗, 導(dǎo)致剖面浮標(biāo)的整體運(yùn)行功耗偏大, 因此以剖面浮標(biāo)為載體的從機(jī)控制系統(tǒng)工作周期為12 h, 單片機(jī)大部分時(shí)間保持為休眠模式。為保證剖面信息采集時(shí)主從機(jī)的工作同步, 從機(jī)控制器喚醒方式為串口接收管腳喚醒, 即由主機(jī)控制系統(tǒng)通過RS-485總線發(fā)送喚醒命令。

剖面浮標(biāo)的初始狀態(tài)為下降到設(shè)計(jì)要求的水下最深處保持休眠, 并由冰上浮標(biāo)拖曳跟隨海冰運(yùn)動(dòng)。為縮短剖面浮標(biāo)的工作時(shí)間降低系統(tǒng)功耗, 設(shè)計(jì)從機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程為: 從機(jī)被喚醒后控制泵油電機(jī)正轉(zhuǎn)從泵向油囊排油, 剖面浮標(biāo)未上浮之前, 控制器給CTD供電, CTD采集深度信息; 剖面浮標(biāo)因浮力增加而自行上浮, CTD開始采集溫鹽深數(shù)據(jù); 油囊充滿后, 泵油電機(jī)自動(dòng)停轉(zhuǎn), 剖面浮標(biāo)繼續(xù)上升至冰下海水最淺處; 剖面浮標(biāo)上浮過程與水文數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送至主機(jī)過程同步進(jìn)行; 當(dāng)剖面浮標(biāo)上升到頂時(shí), 從機(jī)與主機(jī)之間的同步數(shù)據(jù)傳輸斷開, 主從機(jī)控制系統(tǒng)分別開始獨(dú)立工作; 從機(jī)控制CTD傳感器掉電, 泵油電機(jī)反轉(zhuǎn)收油; 當(dāng)油囊收油完成時(shí), 泵油電機(jī)自動(dòng)停轉(zhuǎn), 從機(jī)控制除電源芯片、RS-485芯片之外的外圍電路處于掉電狀態(tài), 從機(jī)控制器直接進(jìn)入休眠模式; 剖面浮標(biāo)依靠自身重力繼續(xù)下潛到最深處, 等待下次喚醒。在這種工作模式下, 剖面浮標(biāo)每次工作時(shí)間保持在30 min以內(nèi), 其他時(shí)間均處于功耗極低的休眠狀態(tài)。

2.3 衛(wèi)星通信低功耗設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)不可或缺的一部分, 在遠(yuǎn)洋觀測浮標(biāo)中有廣泛的應(yīng)用[13]。目前, 較為著名的移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)有銥星、海事衛(wèi)星、歐星、Argos等幾種, 但適用于極區(qū)高緯度條件且應(yīng)用較多的只有銥星和Argos衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩種。Argos系統(tǒng)屬于極軌衛(wèi)星系統(tǒng), 能夠在低軌道覆蓋南北極以及赤道等高中低緯度地區(qū), 具有較大的應(yīng)用范圍與較低的通訊功耗[14]。鑒于功耗與成本優(yōu)勢, 對于數(shù)據(jù)量與實(shí)時(shí)性要求不高的低成本浮標(biāo)通常將Argos系統(tǒng)作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊的首選系統(tǒng)。本文選取第三代Argos系統(tǒng)衛(wèi)星通訊終端ARGOS-3 PMT-RFM作為極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)的衛(wèi)星通信模塊, 并討論衛(wèi)星通信系統(tǒng)的低功耗方案。

ARGOS-3 PMT-RFM為雙向數(shù)據(jù)傳輸終端, 即除通過衛(wèi)星向地面中心傳送數(shù)據(jù)外也可接收用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)命令。數(shù)據(jù)傳輸模式分為高、低速兩種模式, 單條信息格式有多種, 可滿足不同用戶需求。ARGOS-3 PMT-RFM正常工作狀態(tài)分為睡眠和數(shù)據(jù)傳輸兩種狀態(tài), 通過計(jì)算Argos星座6顆有效衛(wèi)星的過頂時(shí)間自動(dòng)與衛(wèi)星握手進(jìn)行狀態(tài)切換。當(dāng)電源電壓為7 V時(shí), 模塊在睡眠狀態(tài)下的電流僅為90 μA。數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)又分為高速數(shù)據(jù)發(fā)送、低速數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收三種模式, 其中高速數(shù)據(jù)發(fā)送模式平均功率為181.60 mW, 低速數(shù)據(jù)發(fā)送模式平均功率為52.33 mW, 數(shù)據(jù)接收模式的平均電流為85 mA[15]。

由于衛(wèi)星模塊、電機(jī)、芯片、傳感器等系統(tǒng)部件額定功耗無法降低, 因此通過對部件的合理選型、利用器件的低功耗工作模式以及優(yōu)化電源管理來降低系統(tǒng)的工作能耗為本文低功耗設(shè)計(jì)重點(diǎn)。應(yīng)用本文低功耗電源管理模式所設(shè)計(jì)的浮標(biāo)系統(tǒng)低功耗工作流程如圖4所示。

圖4 浮標(biāo)系統(tǒng)低功耗工作流程圖

3 低功耗方案測試與驗(yàn)證

在完成極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)系統(tǒng)低功耗方案設(shè)計(jì)之后, 分兩步對該方案進(jìn)行測試與驗(yàn)證: 首先是在實(shí)驗(yàn)室組裝應(yīng)用該低功耗方案的浮標(biāo)系統(tǒng)并測試實(shí)際功耗, 計(jì)算預(yù)測浮標(biāo)工作壽命; 第二步是在北極實(shí)地布放該套浮標(biāo)系統(tǒng)之后, 實(shí)時(shí)監(jiān)測浮標(biāo)系統(tǒng)的工作狀態(tài), 以驗(yàn)證本文低功耗方案的適用性。

3.1 浮標(biāo)系統(tǒng)功耗測試

應(yīng)用本文低功耗方案的極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)組裝實(shí)物圖如圖5所示。

浮標(biāo)系統(tǒng)各部分在不同工作狀態(tài)下的實(shí)際功耗受多種因素影響, 如單片機(jī)工作模式與休眠模式下的功耗不同, 泵油電機(jī)與CTD在不同深度下所受壓力不同導(dǎo)致的功耗不同, 因此難以通過器件的額定功耗對系統(tǒng)工作時(shí)長進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。通過對浮標(biāo)系統(tǒng)主從機(jī)進(jìn)行實(shí)際聯(lián)調(diào)測試可獲得系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的平均工作電流, 進(jìn)而根據(jù)電池組的容量可對系統(tǒng)工作時(shí)長進(jìn)行估算。實(shí)驗(yàn)測試單次不同狀態(tài)下冰上浮標(biāo)與水下剖面浮標(biāo)的平均電流如表1所示。

圖5 極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)組裝實(shí)物

實(shí)驗(yàn)室測試與極區(qū)實(shí)地工作的區(qū)別在于衛(wèi)星過頂時(shí)間、電磁干擾、海水壓力、低溫環(huán)境等各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的不同。本文浮標(biāo)系統(tǒng)的供電鋰電池采用一次鋰亞硫酰氯功率型電池ER34615M, 其在–30℃的低溫天氣下百毫安放電時(shí)的實(shí)際有效容量約為常溫下的60%, 即溫度對浮標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際工作時(shí)長影響較大。由于極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)工作時(shí)長的設(shè)計(jì)要求為一年, 考慮電池效率、環(huán)境因素以及設(shè)計(jì)冗余量, 利用實(shí)驗(yàn)室有限條件下的測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的系統(tǒng)工作時(shí)長應(yīng)比浮標(biāo)設(shè)計(jì)要求高出50%。冰上浮標(biāo)配備電源為14.4 V的鋰電池, 電池組容量為156 Ah。剖面浮標(biāo)由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需要, 標(biāo)配電源為28.8V的鋰電池, 電池組容量為221 Ah。若以每12 h采集一次剖面數(shù)據(jù)以及每小時(shí)采集一次氣象數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集密度作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn), 則由實(shí)驗(yàn)室測試得到的系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)下平均電流計(jì)算得到的冰上浮標(biāo)單日功耗近似為0.81 Wh, 剖面浮標(biāo)單日功耗近似為5.78 Wh, 據(jù)此結(jié)合實(shí)際功耗損失估算實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下浮標(biāo)系統(tǒng)的工作時(shí)長為18個(gè)月, 滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 浮標(biāo)系統(tǒng)不同狀態(tài)下冰上浮標(biāo)與剖面浮標(biāo)的平均電流

3.2 北極現(xiàn)場布放

2015年8月, 兩套應(yīng)用本文低功耗方案的極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)由中國海洋大學(xué)極區(qū)科考人員搭乘韓國“Araon”號科考船成功布放在北極楚科奇深海平原附近海域。在后續(xù)連續(xù)監(jiān)測過程中, 1號浮標(biāo)在穩(wěn)定工作8個(gè)月之后由于未知原因停止工作。截止2016年10月31日, 2號浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)一切正常, 仍在持續(xù)回傳各項(xiàng)氣象水文數(shù)據(jù)。由于兩套浮標(biāo)系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)相同, 考慮北極環(huán)境超低溫、大風(fēng)、動(dòng)物破壞等不可抗因素, 其中任意一套浮標(biāo)系統(tǒng)滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求都能驗(yàn)證本文低功耗方案的適用性。

本文隨機(jī)選取接收到的2號浮標(biāo)于格林尼治時(shí)間2016年9月13日0時(shí)至23時(shí)在北極東西伯利亞海域(77°14′14.7″N 165°25′03.9″E)發(fā)送的24組氣象數(shù)據(jù)(圖6)以及當(dāng)日1時(shí)33分發(fā)送的一組剖面數(shù)據(jù)(圖7)進(jìn)行簡單分析。

由圖6可知, 當(dāng)日浮標(biāo)所在位置的氣象狀況在0時(shí)至14時(shí)期間變化平穩(wěn), 之后則出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。–3℃左右的溫度基本符合該地區(qū)9月份氣象特征, 說明冰上浮標(biāo)運(yùn)行正常。從圖7剖面數(shù)據(jù)可看到在水下30 m以內(nèi)海水溫度與鹽度變化較小, 30 m之后則有一個(gè)較大幅度的上升, 基本符合極區(qū)海洋水文特征, 表明剖面浮標(biāo)運(yùn)行正常。剖面數(shù)據(jù)僅采集到水下80多米, 考慮為大風(fēng)天氣下冰層與海水的相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的拖拽現(xiàn)象, 因此剖面浮標(biāo)無法下沉至設(shè)計(jì)最深處。

圖6 氣象數(shù)據(jù)曲線圖示例

圖7 海洋剖面數(shù)據(jù)曲線圖示例

為了繼續(xù)測試極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)的穩(wěn)定性并獲取更多的極區(qū)氣象水文數(shù)據(jù), 第二批次規(guī)格相同的兩套浮標(biāo)系統(tǒng)已于2016年8月中旬在北極成功布放, 相關(guān)數(shù)據(jù)在持續(xù)監(jiān)測中。

4 結(jié)論

本文針對冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)的長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行觀測的需求, 設(shè)計(jì)了以STC15系列單片機(jī)為控制器的主從機(jī)控制系統(tǒng)的高效電源管理方案, 降低了浮標(biāo)運(yùn)行控制系統(tǒng)的功耗; 綜合比較選取第三代Argos系統(tǒng)的衛(wèi)星通訊終端ARGOS-3 PMT-RFM并采用遠(yuǎn)程低速單向數(shù)據(jù)傳輸模式, 降低了系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信功耗。實(shí)驗(yàn)室測試與極區(qū)實(shí)地運(yùn)行結(jié)果表明: 該極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標(biāo)系統(tǒng)的低功耗能量管理方案實(shí)現(xiàn)了該浮標(biāo)系統(tǒng)在極區(qū)環(huán)境中的長期穩(wěn)定運(yùn)行的預(yù)定目標(biāo)。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Design and implementation of the low-power management scheme for the Polar Drift-Towing Ocean Profiler

RAO Kai-you1, 2, JI Xu-peng3, CHEN Jian-mei1, 2, LI Tao3, DONG Yong-jun1, 2, SUN Chao1, 2, ZHANG Hong-bin1, 2, YAO Nan1, 2, GUO Jing-fu1, 2

(1. School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China; 2. Key Laboratory of Advanced Energy Development and Application, Changchun 130024, China; 3. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Thepolar drift-towing ocean profiler is required to work for a long time in order to obtain more hydro-meteorological information about the polar region. Therefore, to address this, a low-power scheme for the buoy system is designed in this paper. The application of efficient energy management with the 51 series micro control unit at its core contributes to reasonable power distribution which is in accordance with the principle of the minimum-power operation mode and the shortest possible working time. The Argos module (ARGOS-3 PMT-RFM) is used to provide low-speed data transmission by BPSK modulation. Consequently, the overall power consumption of the buoy system is reduced effectively.The operation of the buoy system for one year in the floating ice of the Arctic shows that the system has been working with stability, and that the low-power management scheme has fulfilled the requirements of long-term observation for the buoy system. The successful testing and application of the buoy is useful for polar researchers making more accurate analyses of the change processes of sea ice.

low power; profiler; micro control unit; power management; ARGOS-3

Dec. 19, 2016

饒開友(1991-), 男, 江西九江人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測技術(shù)及嵌入式系統(tǒng), 電話: 17090409257, E-mail: raoky290@nenu.edu.cn; 郭景富,通信作者, 博士, 教授, 研究方向?yàn)閼?yīng)用物理及海洋監(jiān)測技術(shù), E-mail: guojf217@nenu.edu.cn

P715.2

A

1000-3096(2017)09-0027-07

10.11759/hykx20161219002

2016-12-19;

2017-03-06

吉林省省級產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2016C059); 國家海洋能專項(xiàng)資金項(xiàng)目(GHME2016YY03)

[Industrial Innovation Special Foundation of Jilin Province, No.2016C059; National Marine Energy Special Foundation of China, No.GHME2016YY03]