胡圣鷹 竇銀科 馬春燕 馬瑞駿 竇若凡

摘 要： 為了探索北極海冰的冰物質(zhì)平衡變化機(jī)理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Iridium 9602的北極海冰多參數(shù)綜合監(jiān)測系統(tǒng)。其主要由海冰各項(xiàng)物理參數(shù)的數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)傳輸部分組成，數(shù)據(jù)采集部分集成了對海冰上方風(fēng)速風(fēng)向、空氣溫濕度、太陽光輻射、冰面積雪厚度、海冰溫度等參數(shù)的監(jiān)測，海冰溫度通過縱向等距定點(diǎn)的方式監(jiān)測。數(shù)據(jù)傳輸部分依托銥星9602模塊，通過向國內(nèi)固定IP及指定郵箱傳送所采集的數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該監(jiān)測系統(tǒng)解決了極地監(jiān)測需要人工值守的問題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞： 北極海冰； 銥星9602； 綜合監(jiān)測； 遠(yuǎn)程通信； 物質(zhì)平衡； 人工值守

中圖分類號： TN931+.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0127?05

Abstract： An arctic sea ice multi?parameter comprehensive monitoring system based on Iridium 9602 is designed and implemented to explore the balance change mechanism of arctic sea ice material. The monitoring system is mainly composed of the data acquisition part and data transmission part for various physical parameters of the sea ice. The data acquisition part integrates the monitoring of parameters such as wind velocity and direction above the sea ice， air temperature and humidity， solar radiation， snow thickness above the ice surface， sea ice temperature， and so on. The sea ice temperature is monitored by using the longitudinal equidistant fixed points. In the data transmission part， real?time remote monitoring can be achieved by relying on the Iridium 9602 module to send the collected data to a domestic fixed IP and designated mailbox. The monitoring system can resolve the manual duty problem of the polar area， and realize the automatic and real?time monitoring.

Keywords： arctic sea ice； Iridium 9602； comprehensive monitoring； remote communication； mass balance； manual duty

0 引 言

極區(qū)海冰在全球氣候系統(tǒng)中扮演著重要角色，影響著大洋表面的物質(zhì)、能量、輻射的平衡，進(jìn)而通過在大洋溫流、鹽流的形成和循環(huán)過程中影響著全球的氣候[1]。極地冰蓋物質(zhì)平衡的研究不僅對重建古氣候歷史有重大意義，而且對探究全球氣候變暖與冰川消融之間的機(jī)理具有很大的意義，作為象征冰蓋過去和現(xiàn)在狀況的重要參考指標(biāo)之一，極地冰蓋物質(zhì)平衡的研究在國內(nèi)外已成為熱點(diǎn)[2]。

目前國內(nèi)外對于冰物質(zhì)平衡的測量方法主要有實(shí)地測量雪面高度差獲取積累的雪面數(shù)據(jù)的花桿法、利用超聲波獲得雪面高度數(shù)據(jù)的雪深儀器測距法，通過挖采雪坑或者鉆取冰雪芯樣品得到物質(zhì)平衡信息的雪坑、冰雪芯法等[3]。以上技術(shù)手段受限于現(xiàn)場作業(yè)、測量參數(shù)單一、監(jiān)測時(shí)間跨度較短等因素，得到的數(shù)據(jù)之間無法很好地進(jìn)行整合，對于冰蓋物質(zhì)平衡的變化規(guī)律難以得出較為系統(tǒng)的結(jié)論。因此有必要對于影響到冰物質(zhì)平衡的多項(xiàng)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，通過銥星傳輸技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳回國內(nèi)進(jìn)行分析，克服人工值守、科考周期短、科研數(shù)據(jù)不充分的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示模塊四部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，供電模塊由兩個(gè)子模塊組成，陽光充足，風(fēng)速足夠時(shí)，太陽能充電板與小型風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的能量對蓄電池組進(jìn)行充電同時(shí)完成對系統(tǒng)的供電工作，在遭遇極夜、風(fēng)速較低的境況時(shí)，風(fēng)光模塊無法滿足供電需求，就轉(zhuǎn)由蓄電池組對系統(tǒng)供電。這樣的設(shè)計(jì)因地制宜地利用了當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉簇S富的優(yōu)勢，緩解了化學(xué)能源供給不便的問題[4]。數(shù)據(jù)采集模塊分為冰上監(jiān)測和冰下監(jiān)測兩個(gè)部分：冰上監(jiān)測主要完成對空氣溫度、濕度，風(fēng)速風(fēng)向，光輻射的監(jiān)測；冰下監(jiān)測主要完成對積雪厚度、海冰溫度的監(jiān)測。每隔1 h系統(tǒng)都會對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行一次采集，將采集到的數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，以文本方式保存。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后，主控芯片通過銥星終端將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給國內(nèi)的監(jiān)控中心，銥星對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，功耗比較大，為了盡量降低功耗，每采集3次數(shù)據(jù)，才會啟動(dòng)1次銥星模塊。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，銥星模塊關(guān)閉電源，進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次數(shù)據(jù)的到來[5]。

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 主控板

主控芯片選用德州儀器公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理芯片DSP F28335，外接30 MHz晶振，芯片內(nèi)部鎖相環(huán)電路進(jìn)行倍頻。其主頻可達(dá)150 MHz，6.67 ns的時(shí)鐘周期，32位浮點(diǎn)處理單元，F(xiàn)28335具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和數(shù)字處理能力。同時(shí)還具有豐富的I/O口和串口資源，3個(gè)串行通信接口，一個(gè)串行外設(shè)（SPI）接口，一個(gè)內(nèi)部集成電路（I2C）總線，2個(gè)McBSP模塊（可配置為SPI）和2個(gè)控制器局域網(wǎng)（CAN）模塊。滿足銥星通信終端的9線制串口接法，在主控板與銥星通信終端之間可以建立穩(wěn)定的通信通道[6]。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)需在無人值守的條件下完成全自動(dòng)監(jiān)測，主控芯片采集發(fā)送數(shù)據(jù)需要以精準(zhǔn)的時(shí)鐘為參照。本設(shè)計(jì)選用時(shí)鐘芯片SD2200，該款芯片為高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，內(nèi)置晶振和一次性紐扣電池，支持I2C總線接口，即使外部電源不足時(shí)也能保證時(shí)鐘使用壽命達(dá)五年之久[7]。在設(shè)備投入使用時(shí)，對時(shí)鐘模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，與國內(nèi)時(shí)間進(jìn)行同步，傳回的數(shù)據(jù)帶有時(shí)間信息，便不會因通信延時(shí)而對數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤判。

2.2 傳感器選型

在對傳感器進(jìn)行選型時(shí)堅(jiān)持低功耗，低溫下性能良好的原則，具體選型見表1。其中風(fēng)速、風(fēng)向、光輻射、積雪厚度傳感器類型支持RS 485電氣傳輸協(xié)議，采用一主多從的方式與主控板進(jìn)行連接。對于空氣溫濕度和海冰溫度鏈傳感器通過配置2個(gè)獨(dú)立的I/O口即可進(jìn)行電氣連接[8]。海冰溫度鏈傳感器是實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的傳感器，以DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS28EA01為基礎(chǔ)元件，采用菊鏈方式將多個(gè)傳感器連接在一起。針對使用環(huán)境為1 m左右的海冰區(qū)，溫度鏈長度設(shè)計(jì)為3 m，每3 cm為一個(gè)檢測點(diǎn)，整條溫度鏈有100個(gè)檢測點(diǎn)。制作工藝為柔性PCB，用含膠熱縮管進(jìn)行防水封裝，可以任意折疊，攜帶安裝方便。

2.3 銥星通信終端

銥星星群是世界上最大的商用衛(wèi)星星群，由66顆低地球軌道交叉互連組成，以全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，并有多個(gè)衛(wèi)星在軌備用。其最大的優(yōu)勢便是通信范圍可以覆蓋全球，銥星星群的結(jié)構(gòu)確保了通信的高可靠性和低延遲性，不受天氣、高度、電離層、距離等不穩(wěn)定因素的制約，特別是常規(guī)通信手段無法使用的北極地區(qū)，銥星通信模塊是一個(gè)能滿足要求的擇優(yōu)選擇。另外，銥星通信模塊通信資費(fèi)低、功耗小的特點(diǎn)也滿足該監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗，節(jié)省應(yīng)用成本的要求[9]。

本系統(tǒng)中的銥星終端使用銥星公司新一代的通信模塊Iridium 9602，體積小，重量輕，功能上可替代Iridium 9601模塊。它嵌入了銥星9602SBD和SBD協(xié)議，結(jié)合銥星通信公司提供的全球覆蓋網(wǎng)絡(luò)銥星數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（SBD），通過采用數(shù)據(jù)包的方式實(shí)現(xiàn)短消息雙向傳輸。本系統(tǒng)中，主控板通過9線RS 232串口向銥星模塊發(fā)送AT指令集，實(shí)現(xiàn)SBD業(yè)務(wù)。用戶可以通過郵件協(xié)議方式或DirectIP鏈接方式獲取數(shù)據(jù)，也可在終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)[10]。Iridium 9602一次最大可發(fā)送340 B信息，最大可接收270 B信息。通信速率最高可達(dá)115 200 bit/s，默認(rèn)波特率為19 200 bit/s，可通過AT+IPR命令設(shè)置。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序是整個(gè)軟件程序設(shè)計(jì)的中心部分，調(diào)用所有硬件資源完成對數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送等一系列工作。主要通過中斷喚醒方式來控制各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)其功能。主程序的設(shè)計(jì)分為如下三個(gè)步驟：

1） 硬件初始化，上電后，控制板處于復(fù)位狀態(tài)，關(guān)閉看門狗，進(jìn)行硬件初始化工作，完成對I/O口和串口的配置工作，然后進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。

2） 配置中斷函數(shù)。中斷函數(shù)主要用來完成具體的數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示的工作。當(dāng)完成數(shù)據(jù)采集工作后，向控制板發(fā)起中斷請求，控制板被喚醒，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，檢查數(shù)據(jù)完整與正確性，然后對其進(jìn)行顯示存儲，根據(jù)條件啟動(dòng)銥星通信模塊，向國內(nèi)基站發(fā)送數(shù)據(jù)。

3） 再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。中斷程序依次執(zhí)行完畢后，清除中斷標(biāo)志關(guān)閉中斷，繼續(xù)執(zhí)行主程序剩下的程序，最后完成整個(gè)程序的運(yùn)行后，單片機(jī)下電進(jìn)入休眠狀態(tài)等待下一次程序的重新開始。在執(zhí)行這些中斷程序時(shí)，嚴(yán)格地控制了每個(gè)電路模塊的開斷，盡可能減小系統(tǒng)的功率損耗，使其處于低功耗模式運(yùn)行。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

3.2 銥星遠(yuǎn)程通信終端程序設(shè)計(jì)

主板通過串口向銥星SBD數(shù)據(jù)透傳模塊發(fā)送AT指令來控制透傳模塊的數(shù)據(jù)傳送工作。銥星發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其功耗最大。發(fā)送AT+CSQ命令可查詢當(dāng)前銥星模塊與銥星衛(wèi)星之間網(wǎng)路連接的信號強(qiáng)度，只有應(yīng)答信號強(qiáng)度大于3，即強(qiáng)度為4或者5時(shí)，銥星SBD傳輸才會在很短的時(shí)間內(nèi)完成；若是在銥星信號較弱的情況下，即使啟動(dòng)SBD傳輸，也需要等待較長時(shí)間直到信號較強(qiáng)時(shí)才能完成銥星遠(yuǎn)程傳輸[11]，具體的銥星傳輸數(shù)據(jù)控制流程如圖3所示。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采用C#語言和SQL Server數(shù)據(jù)庫以.NET Framework為平臺設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，對于從極地通過銥星遠(yuǎn)程傳輸模塊傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理，可以實(shí)時(shí)清晰地顯示監(jiān)測系統(tǒng)所在的位置如圖4所示。其中塔狀圖標(biāo)即為浮標(biāo)所在位置，對當(dāng)前海冰的各項(xiàng)物理參數(shù)及系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也可以實(shí)時(shí)顯示，如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試及北極現(xiàn)場應(yīng)用分析

監(jiān)測浮標(biāo)最終將安裝于北極現(xiàn)場，北極氣候特點(diǎn)是冬季寒冷漫長，夏季短暫涼爽，冬季大部分地區(qū)最低氣溫可低至-50 ℃。為了保證設(shè)備能在冬季正常工作，所購買設(shè)備的工作環(huán)境溫度都滿足-40 ℃。調(diào)試過程在最低溫度可達(dá)-60 ℃的低溫實(shí)驗(yàn)柜中進(jìn)行。首先對每個(gè)傳感器進(jìn)行低溫下性能檢測，然后將整套一件系統(tǒng)搭建起來進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)。為期近1個(gè)月的穩(wěn)定性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如下問題：銥星遠(yuǎn)程傳輸受周圍環(huán)境影響較大，如天氣或者遮擋物影響，數(shù)據(jù)沒有按時(shí)傳到指定郵箱；海冰溫度鏈因?yàn)橹谱鞴に噯栴}，防水性能欠佳，漏水導(dǎo)致器件損壞；軟件程序設(shè)計(jì)存在瑕疵，對于采集的數(shù)據(jù)，沒有進(jìn)行發(fā)送前二次檢查機(jī)制，比如漏水導(dǎo)致海冰溫度鏈采集的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，未進(jìn)行常識性預(yù)判，就通過銥星發(fā)送。

在針對性地解決如上問題后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)良好，圖6為擇選地同一天檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖可知：空氣溫濕度傳感器采集的溫度符合一天中氣溫的升降規(guī)律；光輻射傳感器也只有在白天太陽照射時(shí)才有數(shù)據(jù)，而且中午時(shí)光照最強(qiáng)；風(fēng)速、風(fēng)向傳感器也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；超聲波測得的距離與實(shí)際所測的距離基本相符；整個(gè)系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

5 結(jié) 語

本文基于銥星通信技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮１鄥?shù)綜合監(jiān)測浮標(biāo)。該設(shè)備經(jīng)過充分的穩(wěn)定性監(jiān)測和系統(tǒng)程序優(yōu)化，于2016年7月11日由實(shí)驗(yàn)室左廣宇博士攜帶，跟隨中國第七次北極考察隊(duì)前往北極，執(zhí)行科考工作。其中5套布放于加拿大海盆的冰站附近，與7套海冰溫度剖面和位移浮標(biāo)，以及考察隊(duì)投放的國外浮標(biāo)一起，構(gòu)成北極海冰監(jiān)測浮標(biāo)陣列。12套浮標(biāo)數(shù)據(jù)通過銥星系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳回設(shè)在實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測中心[12]。目前已傳回上百條完整的監(jiān)測信息。該監(jiān)測系統(tǒng)很好地滿足了海冰定點(diǎn)多參數(shù)綜合檢測的需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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