摘  要： 針對(duì)浮標(biāo)技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，研究并改進(jìn)了現(xiàn)有的浮標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了自升降式浮標(biāo)控制系統(tǒng)，以獲取水下不同深度的環(huán)境數(shù)據(jù)，具有很好的安全性和隱蔽性。系統(tǒng)以MSP430處理器為核心，以Si4432為無線收發(fā)模塊，結(jié)合溫濕度、光照、加速度、傾角、CTD、溶解氧傳感器和SD卡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。經(jīng)測(cè)試，能可靠地將數(shù)據(jù)傳輸至岸基模塊，滿足了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： 自升降式浮標(biāo)；MSP430；Si4432；數(shù)據(jù)采集

    以自升降式浮標(biāo)系統(tǒng)為載體的海洋數(shù)據(jù)傳感采集與傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)海平面以下不同深度水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和更新。國(guó)外在上世紀(jì)80年代研制出了一種將潛標(biāo)和錨泊浮標(biāo)相結(jié)合的系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)既能采集海洋定點(diǎn)數(shù)據(jù)，又能實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)，因此得到了廣泛使用。國(guó)內(nèi)潛標(biāo)技術(shù)緊隨國(guó)際潮流，提出了具備緊繃式錨泊潛標(biāo)系統(tǒng)架構(gòu)的自治式海洋監(jiān)測(cè)潛標(biāo)，但該系統(tǒng)仍處于研制階段，未投入實(shí)際使用。本文提出將潛標(biāo)和浮標(biāo)合二為一的錨泊自升降海洋潛標(biāo)系統(tǒng)，可以為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)提供充分的數(shù)據(jù)材料，同時(shí)對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)和海洋資源開發(fā)有深遠(yuǎn)意義，應(yīng)用前景寬廣[1]。自升降傳動(dòng)裝置及其控制系統(tǒng)是本次研究中的一項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)。Si4432模塊采用的是半雙工的通信方式，其中通信的可靠性和沖突處理為本研究的技術(shù)難點(diǎn)。
1 系統(tǒng)工作原理
    自升降式浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含傳感器組、岸基模塊、中繼模塊、浮標(biāo)模塊、潛標(biāo)模塊、無線收發(fā)模塊和上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。
    本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集傳輸板、傳感器組和用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控終端組成。其中數(shù)據(jù)采集傳輸板包括岸基系統(tǒng)、中繼系統(tǒng)、浮標(biāo)系統(tǒng)和潛標(biāo)系統(tǒng)。岸基系統(tǒng)和浮標(biāo)系統(tǒng)與中繼系統(tǒng)的通信是通過Si4432[2]無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)的。浮標(biāo)系統(tǒng)與潛標(biāo)系統(tǒng)在海底的通信是以電纜及導(dǎo)電滑環(huán)為介質(zhì)，按照RS485協(xié)議進(jìn)行通信的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求指標(biāo)如下：
    (1)無線通信可靠傳輸距離：1 000 m；
    (2)數(shù)據(jù)包傳輸誤碼率低于0.1%；
    (3)浮標(biāo)板下潛深度：5 m～20 m；
    (4)潛標(biāo)板下潛深度：20 m～100 m。
    海洋環(huán)境采集與傳輸系統(tǒng)的工作原理：浮標(biāo)發(fā)送浮標(biāo)下降命令給潛標(biāo)，潛標(biāo)控制絞盤電機(jī)拉動(dòng)浮標(biāo)作垂直向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)浮標(biāo)被拉到海面以下時(shí)，浮標(biāo)就開始采集海洋環(huán)境參數(shù)，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)寫入SD卡中。電機(jī)拉動(dòng)浮標(biāo)向下運(yùn)動(dòng)到一定深度后，電機(jī)向相反方向運(yùn)動(dòng)，浮標(biāo)開始上浮。當(dāng)浮標(biāo)被再次釋放到海面上時(shí)，浮標(biāo)板停止采集，然后將采集到的海洋環(huán)境參數(shù)結(jié)合當(dāng)前時(shí)間打包為一幀數(shù)據(jù)后發(fā)送給中繼模塊。中繼模塊直接與岸基模塊進(jìn)行通信，中繼模塊將接收到的浮標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合自身傳感器采集到的數(shù)據(jù)打包為一幀數(shù)據(jù)后發(fā)送到岸基模塊，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各項(xiàng)傳感器測(cè)得的海洋環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，可以通過上位機(jī)向中繼模塊發(fā)送回收浮標(biāo)的命令，浮標(biāo)將對(duì)應(yīng)命令轉(zhuǎn)發(fā)給潛標(biāo)，對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行釋放動(dòng)作，完成釋放任務(wù)。
    上述傳感器組集中在中繼模塊和浮標(biāo)模塊，中繼模塊的傳感器組包括加速度傳感器MMA7361、傾角傳感器SCA60C、溫度傳感器DS18B20、溫濕度傳感器SHT11和光照傳感器BH1750；浮標(biāo)模塊的傳感器組包括CTD[3]傳感器和DO溶解氧傳感器。為了記錄采集數(shù)據(jù)的時(shí)間，浮標(biāo)模塊帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。同時(shí)，為了能實(shí)現(xiàn)水下采集數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)，通過FAT文件系統(tǒng)可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的數(shù)據(jù)寫入和讀出。
2 系統(tǒng)硬件
    Si4432的工作頻段為433 MHz，最大輸出功率可以達(dá)到+20 dBm，外圍可加入功率放大電路，以提高發(fā)送功率。Si4432主要有關(guān)閉模式、掛機(jī)模式、發(fā)射模式和接收模式。關(guān)閉狀態(tài)下可以降低功耗，各模式間的切換必須先進(jìn)入掛起狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中，Si4432模塊在發(fā)送或者接收完數(shù)據(jù)后立即切換到關(guān)閉模式，從而可以降低系統(tǒng)工作功耗。Si4432數(shù)據(jù)傳輸方式主要有FIFO模式、直接模式和PN9模式3種。本設(shè)計(jì)中Si4432工作在FIFO模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。此狀態(tài)下，Si4432自動(dòng)退出發(fā)送或者接收狀態(tài)，當(dāng)相關(guān)的中斷信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼。Si4432的通信距離可以達(dá)到1 km，可以達(dá)到本設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。總之，Si4432具有低功耗特性，并且數(shù)據(jù)傳輸有效距離可以達(dá)到1 km，從數(shù)據(jù)傳輸有效距離和功耗上來考慮，Si4432可以實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠傳輸，因此本文采用Si4432來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
    本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于低功耗升降式浮標(biāo)的設(shè)計(jì)，浮標(biāo)升降的實(shí)現(xiàn)是通過潛標(biāo)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。浮標(biāo)與潛標(biāo)的通信以RS485為接口，以電纜為傳輸途徑實(shí)現(xiàn)。由于電纜是盤繞在電機(jī)上的，利用導(dǎo)電滑環(huán)可以實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)與潛標(biāo)間信號(hào)的穩(wěn)定可靠傳輸。水下電機(jī)采用12 V直流無刷電機(jī)，減速比為153:1，最大拉力1 500磅，在無負(fù)載情況下電流4.5 A左右，在最大拉力下電流能高達(dá)27 A，所以在浮標(biāo)上要加上配重裝置以平衡浮力，減小拉力。驅(qū)動(dòng)采用BTN7960芯片為主的模塊，驅(qū)動(dòng)電壓范圍為6 V～24 V，最大驅(qū)動(dòng)電流約為40 A。
    本系統(tǒng)中微處理器選用TI公司16 bit單片機(jī)MSP430F149。這款單片機(jī)特點(diǎn)之一是它的低功耗，同時(shí)還可以很方便地在5種低功耗模式下進(jìn)行切換。MSP430F149內(nèi)部具有兩個(gè)USART收發(fā)控制器，12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，以及豐富的定時(shí)器資源；片上集成2 KB RAM和60 KB Flash Memory，完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的資源要求[4]。
    加速度和傾角傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)，可以通過430單片機(jī)內(nèi)部12 bit A/D轉(zhuǎn)換器獲得；溫度傳感器采用單總線的通信方式，可以通過430單片機(jī)I/O訪問；濕度傳感器[5]和光強(qiáng)度傳感器采用I2C協(xié)議進(jìn)行訪問；CTD傳感器和DO溶解氧傳感器通過串口進(jìn)行訪問。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括3大部分：中繼板傳感器組數(shù)據(jù)采集和傳輸程序，浮標(biāo)板傳感器組數(shù)據(jù)采集和傳輸程序以及潛標(biāo)板控制程序，本設(shè)計(jì)程序均在IAR下編譯、調(diào)試。
3.1 中繼板數(shù)據(jù)采集及傳輸程序設(shè)計(jì)
    中繼板程序設(shè)計(jì)可以分為以下5個(gè)步驟：
    (1)系統(tǒng)初始化
    上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、UART、A/D以及傳感器接口初始化配置。
    (2)Si4432模塊參數(shù)配置
    通過單片機(jī)配置Si4432模塊的工作模式、收發(fā)波特率、本機(jī)地址、目的地址以及發(fā)射功率等級(jí)等參數(shù)。中繼板參數(shù)配置：工作模式為收發(fā)工作模式，波特率2 400 b/s，本機(jī)地址為0x60，目的地址為0x59，發(fā)射功率等級(jí)為7。
    (3)中繼板接收浮標(biāo)板數(shù)據(jù)包
    Si4432接收中斷程序4432_RX判斷是否接收到浮標(biāo)板發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，如果接收到發(fā)送請(qǐng)求，則中繼板進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并且一直等接收到完整的數(shù)據(jù)幀后才使能發(fā)送功能。使能發(fā)送后，中繼板可以將完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給岸基板。
    (4)數(shù)據(jù)幀整合和發(fā)送
    中繼板使能發(fā)送數(shù)據(jù)后，發(fā)送程序開始將數(shù)據(jù)裝成完整的64 B數(shù)據(jù)幀格式，然后通過Si4432模塊發(fā)送64 B的數(shù)據(jù)到岸基模塊，發(fā)完為止。
    (5)中繼板傳感器采集數(shù)據(jù)并更新緩沖區(qū)
    中繼板在沒有請(qǐng)求發(fā)送和請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)的情況下，溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、傾角傳感器和加速度傳感器開始工作并不斷獲取當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)，以及時(shí)更新緩沖區(qū)。中繼板程序流程圖如圖3所示。

3.2 浮標(biāo)板數(shù)據(jù)采集及傳輸程序設(shè)計(jì)
    浮標(biāo)板程序設(shè)計(jì)可以分為以下4個(gè)步驟：
    (1)系統(tǒng)初始化
    上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、UART、A/D、傳感器接口、DS1302以及FAT文件系統(tǒng)初始化配置。
    (2)Si4432模塊參數(shù)配置
    通過單片機(jī)配置Si4432模塊的工作模式、收發(fā)波特率、本機(jī)地址、目的地址以及發(fā)射功率等級(jí)等參數(shù)。中繼板參數(shù)配置：工作模式為收發(fā)工作模式，波特率為2 400 b/s，本機(jī)地址為0x61，目的地址為0x60，發(fā)射功率等級(jí)為7。
    (3)浮標(biāo)板發(fā)送控制命令到潛標(biāo)板
    浮標(biāo)板與潛標(biāo)板通信是在電纜上以RS485協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行通信，通過時(shí)間片切換的方法依次發(fā)送如下命令給潛標(biāo)板：電機(jī)下降命令0x01，上傳電池剩余電量命令0x03，釋放潛標(biāo)系統(tǒng)命令0x02。每發(fā)送一個(gè)命令后，要等到相應(yīng)的動(dòng)作執(zhí)行完畢后才能執(zhí)行下一條命令。
    (4)浮標(biāo)板發(fā)送數(shù)據(jù)幀到中繼板
    浮標(biāo)板在接收到發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，將傳感器數(shù)據(jù)和時(shí)間一起從SD卡中讀出，準(zhǔn)備待發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包成完整的64 B數(shù)據(jù)幀格式，通過Si4432模塊發(fā)送到中繼板，發(fā)完為止。
    (5)傳感器組開始工作并更新緩沖區(qū)
    在浮標(biāo)板發(fā)送電機(jī)下降命令，浮標(biāo)下降到海面以下后，CTD傳感器和DO溶解氧傳感器開始工作，并將傳感器數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)間以FAT文件系統(tǒng)形式存放到SD卡中，直到浮標(biāo)再次浮到海面上為止。浮標(biāo)板程序流程圖如圖4所示。

3.3 潛標(biāo)板程序設(shè)計(jì)
    潛標(biāo)板程序設(shè)計(jì)可以分為以下2個(gè)步驟：
    (1)系統(tǒng)初始化
    上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、UART、A/D進(jìn)行初始化配置。
    (2)潛標(biāo)板接收浮標(biāo)板命令，進(jìn)行解析并執(zhí)行
    潛標(biāo)板接收浮標(biāo)板發(fā)送的命令：浮標(biāo)系統(tǒng)釋放命令0x02，電機(jī)下降命令0x01以及上傳電量命令0x03。潛標(biāo)板接收到系統(tǒng)釋放命令后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行釋放命令；潛標(biāo)板接收到電機(jī)下降命令后，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)先做向下運(yùn)動(dòng)，過一段時(shí)間后再做向上運(yùn)動(dòng)，將浮標(biāo)板送至海面上；潛標(biāo)板接收到電量上傳命令后，將電量信號(hào)上傳到浮標(biāo)板。潛標(biāo)板程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試
    在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過Si4432無線收發(fā)模塊建立岸基模塊、中繼模塊、浮標(biāo)模塊之間的通信；浮標(biāo)模塊與潛標(biāo)模塊之間通過RS485總線電纜連接。
    外圍的傳感器組掛接到單片機(jī)系統(tǒng)中，然后設(shè)定岸基模塊的本地地址為0x59，中繼模塊的本地地址為0x60，浮標(biāo)模塊的本地地址為0x61，打開電源，讓系統(tǒng)開始工作。接著以64 B為一個(gè)數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，以不同距離和不同發(fā)送波特率完成數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的測(cè)試，得出結(jié)果如表1所示。

    由表1中測(cè)試結(jié)果可知，在傳輸距離為1 000 m以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率低于9 600 b/s的條件下，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率基本為零，所以本系統(tǒng)基本上符合設(shè)計(jì)要求。
    在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試的基礎(chǔ)上，在戶外也進(jìn)行了進(jìn)一步的測(cè)試，選擇測(cè)試點(diǎn)為海洋二所。將中繼板、浮標(biāo)板和潛標(biāo)板放入水中，基站板連接上位機(jī)軟件，對(duì)系統(tǒng)實(shí)行為期一周的實(shí)地測(cè)試。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，達(dá)到預(yù)期的測(cè)試結(jié)果。
    本文利用升降式浮標(biāo)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種海洋數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)還保留了一些傳感器接口，為以后改進(jìn)、升級(jí)系統(tǒng)做準(zhǔn)備。同時(shí)由于浮標(biāo)系統(tǒng)在海水中受到浮力作用，為保證浮標(biāo)系統(tǒng)可靠的上升和下降，配備了一個(gè)重物掛在浮標(biāo)系統(tǒng)上，已減去浮標(biāo)系統(tǒng)的浮力，從而減輕了直流電機(jī)的負(fù)擔(dān)，節(jié)省電量，進(jìn)而提高了水下系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間。本系統(tǒng)很好地滿足了海洋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
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