0 引言
海岸帶是海洋中對(duì)人類活動(dòng)最為敏感的部分，人類活動(dòng)會(huì)對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這使得海岸帶成為海洋生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。因此，海岸帶的安全與管理已成為國(guó)際熱門研究領(lǐng)域。海岸帶的科學(xué)管理是建立在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。傳統(tǒng)的海岸帶調(diào)查，需要大量的人力物力，而且獲得的數(shù)據(jù)非常有限，高通量海岸帶數(shù)據(jù)獲取已成為制約海岸帶科學(xué)管理的主要瓶頸。
以美國(guó)和歐盟為代表的海洋研究水平較高的國(guó)家，開(kāi)發(fā)了多種形式的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如浮標(biāo)(Buoy)、拖曳式監(jiān)測(cè)船(Tow)、水下滑翔機(jī)(Glider)、衛(wèi)星遙感、海底觀測(cè)站等，來(lái)獲取海量數(shù)據(jù)。
在此，介紹一種新的海洋數(shù)據(jù)采集方法，并研制出一套采集系統(tǒng)——船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Automated Instrument Packages on Ships of Opportunities)。它是一種將多種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器集成在一起，隨船的航行，在沿線進(jìn)行整條航線實(shí)時(shí)采樣，獲得數(shù)據(jù)既可直接通過(guò)
遠(yuǎn)程傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，也可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在船上，定期獲取數(shù)據(jù)的一種海洋數(shù)據(jù)采集模式。
與其他海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)能源充足。船舶可以為系統(tǒng)提供能源，便于更多復(fù)雜分析系統(tǒng)的應(yīng)用，因此可根據(jù)不同功能需求，采用不同傳感器，集成相應(yīng)的船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
(2)工作環(huán)境良好。船舶內(nèi)部可保證系統(tǒng)工作條件，便于安裝較為精致的設(shè)備。
(3)便于維護(hù)。不需輔助維修費(fèi)用，維護(hù)成本低。
(4)數(shù)據(jù)來(lái)源廣、準(zhǔn)確度高，可獲取不同時(shí)間和空間的數(shù)據(jù)參數(shù)。
綜合以上優(yōu)點(diǎn)，可以看到船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。將系統(tǒng)放在不同航線上的商運(yùn)船上，可建立我國(guó)整個(gè)海岸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；如果放在遠(yuǎn)洋船上，則可得到大量的大洋表面海水?dāng)?shù)據(jù)。
1 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)以ARM9為控制核心，由采樣、測(cè)試、存儲(chǔ)及發(fā)送等部分組成。系統(tǒng)啟動(dòng)后，由軟件控制開(kāi)啟抽水泵，通過(guò)安裝在貯水裝置中的傳感器測(cè)量海水pH、電導(dǎo)率、溶氧量、溫度等參數(shù)，并由GPS獲取位置參數(shù)，海水參數(shù)及位置參數(shù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)自帶SD卡中，或經(jīng)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的PC機(jī)或工控機(jī)由同樣的GPRS接收數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)中心程序處理后，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。工作原理如圖1所示。
2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 箱體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)裝于不銹材料的箱體內(nèi)，可保護(hù)系統(tǒng)在一定惡劣天氣情況下正常工作。箱體尺寸為555 mm×519 mm×454 mm，分為三層，上層為可推拉配電箱，中間層為貯水箱及水泵，下層放蓄電池。箱體上蓋及前后壁可以向側(cè)面打開(kāi)，整體安裝及移動(dòng)方便。結(jié)構(gòu)如圖2所示。
其中，配電箱固定在滑道上。上蓋向側(cè)面掀開(kāi)后，配電箱可推向后側(cè)，以便在不拆卸其他裝置的情況下對(duì)下層設(shè)備進(jìn)行拆裝或調(diào)試。貯水箱有進(jìn)出水口、上蓋、錐形濾氣罩等部件。如上圖2(b)所示，海水由進(jìn)水口通過(guò)內(nèi)管通向錐形濾氣罩，氣體通過(guò)連接軟管由上蓋中心口通向排水管，由于流量因素，大量海水從錐形濾氣罩下邊沿流出，從而減少氣體進(jìn)入貯水箱，以防止其對(duì)傳感器性能產(chǎn)生影響。上蓋部分主要有出水口和傳感器安裝口。其中出氣口定位在上蓋的原因也是基于對(duì)減少貯水箱積留氣體的考慮。上蓋與貯水箱體之間加密封墊片，螺栓連接。系統(tǒng)整裝實(shí)物外形圖如圖3所示。
2．2 電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的電路部分由各功能電路組成，包括電源電路、A／D采集電路、采樣隔離電路、串行通信電路以及ARM核心板等。其中ARM核心板為訂購(gòu)產(chǎn)品。
2．2．1 電源電路
系統(tǒng)所需電源情況復(fù)雜，包括直流24 V，±12 V，5 V，以及交流220 V等電源。所有電源由12 V 60 Ah蓄電池提供。其中，24 V及-12 V電源分別由電源模塊實(shí)現(xiàn)；220 V交流電源采用逆變器轉(zhuǎn)換得到。5 V電源使用2576-ADJ芯片與7805組合獲取，如圖4所示。
此電路負(fù)載能力強(qiáng)。先由負(fù)載能力較強(qiáng)的2576-ADJ將12 V電源降壓到合適值(6．3～8 V)，再由穩(wěn)定性較好的7805得到5 V電壓。這樣既能滿足高精度ADC電壓要求，又減少了發(fā)熱。
2．2．2 采集電路
16位高性能ADC芯片MAX11046占用ARM管腳GPIO資源情況如表1所示。
2．2．3 串口分時(shí)復(fù)用電路
由于高性能ADC占用了ARM 芯片部分GPIO資源，導(dǎo)致系統(tǒng)串口不夠用，故采用模擬開(kāi)關(guān)4052分時(shí)復(fù)用串口。不同型號(hào)模擬開(kāi)關(guān)對(duì)串口信號(hào)的導(dǎo)通電壓要求不同。其中，如使用HCF4052型號(hào)的模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通串口信號(hào)，需要10 V以上的電源，而使用74HC4052型號(hào)的開(kāi)關(guān)只需5 V就可以導(dǎo)通。另外，串口芯片RS 3232可在3．3 V電壓下工作，而RS 232則至少為5 V。串口分時(shí)復(fù)用電路如圖5所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 ARM端程序編寫
ARM9平臺(tái)植入WinCE系統(tǒng)。該系統(tǒng)下運(yùn)行應(yīng)用程序由EVC編寫。程序打開(kāi)后，選擇采集、存儲(chǔ)及發(fā)送周期，并設(shè)置短信中心號(hào)碼(有默認(rèn)值)。點(diǎn)擊開(kāi)始后，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)工作。首先啟動(dòng)水泵，延時(shí)一段時(shí)間等待貯水箱裝滿水后，設(shè)定定時(shí)器，開(kāi)始執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)顯示及發(fā)送數(shù)據(jù)等等操作循環(huán)。循環(huán)過(guò)程中如讀到有短信進(jìn)入，解析短信內(nèi)容，如為協(xié)議指令，則執(zhí)行并刪除短信；若非協(xié)議短信，直接刪除，繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)。軟件上有按鈕可以直接結(jié)束系統(tǒng)工作。其工作流程圖如圖6所示。
3．2 PC端編程
PC端程序是在Visual Studio 2010中使用C#編寫完成，采用左樹(shù)右表的機(jī)構(gòu)，分為用戶管理、終端管理和數(shù)據(jù)管理三個(gè)部分。程序連接了由SQL Server建立的數(shù)據(jù)庫(kù)工程文件，該數(shù)據(jù)庫(kù)工程包括用戶表、終端表和數(shù)據(jù)表三類表單。
用戶管理部分主要對(duì)用戶表進(jìn)行操作，可保存和更改不同用戶信息，以判斷用戶對(duì)海洋數(shù)據(jù)的查閱以及系統(tǒng)操作的權(quán)限。
終端管理部分可對(duì)終端表和數(shù)據(jù)表進(jìn)行操作，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收及存儲(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心可同時(shí)被多個(gè)船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信管理，終端表中保存多個(gè)船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)號(hào)碼，便于海洋參數(shù)分類存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)管理部分可顯示最新接收到的數(shù)據(jù)，并將一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)以曲線輸出，更直觀地看到一定范圍數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。而且該部分還可以將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)以常用的文件形式數(shù)據(jù)，如Excel，PDF等格式保存。
數(shù)據(jù)中心與船載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信通過(guò)短信終端實(shí)現(xiàn)。短信終端與PC由串口連接，通過(guò)AT指令通信。軟件中接收短信通過(guò)設(shè)置串口響應(yīng)事件實(shí)現(xiàn)。發(fā)送短信程序流程圖如圖7所示。
4 結(jié)語(yǔ)
本儀器在ARM9硬件平臺(tái)上，基于WinCE操作系統(tǒng)，集成多種在線海水測(cè)試儀器，通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)近海水域數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，并擴(kuò)展有可裝配4G SD卡的接口，以及多個(gè)主從USB接口，便于維護(hù)及調(diào)試，滿足了智能儀器的要求，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化、可移動(dòng)、低成本、智能化等?？蓾M足海洋科學(xué)研究對(duì)海量數(shù)的需求，對(duì)我國(guó)海岸帶生態(tài)研究有著重要的意義。