基于CR1000的海洋剖面測量平臺雙重數據系統設計

郭安剛, 張喜驗, 綦聲波, 陳宗喜

(1. 中國海洋大學 工程學院, 山東 青島 266100; 2. 山東省科學院 海洋儀器儀表研究所, 山東 青島266001)

基于CR1000的海洋剖面測量平臺雙重數據系統設計

郭安剛1, 張喜驗2, 綦聲波1, 陳宗喜1

(1. 中國海洋大學 工程學院, 山東 青島 266100; 2. 山東省科學院 海洋儀器儀表研究所, 山東 青島266001)

為新型海洋剖面測量平臺設計了一種基于 CR1000數據采集儀的數據存儲安全和數據讀取方便的雙重數據系統。第一重數據, 分散存儲于自容式傳感器, 傳感器的上位機軟件通過 CR1000來讀取;第二重數據, 集中存儲在CR1000的數據擴展模塊中, 通過海洋剖面測量平臺的上位機軟件直接讀取。實驗結果表明, 該存儲方案可有效地實現采樣數據的存儲和讀取, 從而最大限度地保證了新型海洋剖面測量平臺的數據安全。

雙重數據系統; 數據采集儀; CR1000; 剖面測量

當前垂直剖面海洋參數測量的主要方式是在每個需要測量的深度放置一組傳感器, 以便進行不同深度的參數測量。這種方式需要使用多組傳感器, 因此測量成本高昂。國外已經研制了新型的測量設備,比如美國麥克萊恩研究實驗室(McLane Research Laboratories)的麥克萊恩系泊剖面儀(The McLane Moored Profiler, MMP), 它已經是一種成熟的產品并開始銷售。國內主要使用的垂直剖面海洋參數測量方式還是多組傳感器測量的方式, 正在研究新型的測量方式, 還沒有一種成熟可靠的產品。基于CR1000的海洋剖面測量平臺是一種新型的垂直剖面海洋參數測量設備, 其測量平臺能夠在海水中上下移動和停留。既具有錨泊海洋剖面測量平臺可長期獲得定點連續觀測數據的優點, 又具有漂流式剖面測量平臺可自動升沉測量剖面數據的優點, 而且具有隱蔽性好、測量準確度高的特點。

如何保證測量數據存儲的安全性, 是海洋監測設備需要解決的一個重要問題。本論文為基于CR1000的海洋剖面測量平臺設計了一種雙重數據系統, 使得海洋剖面測量平臺擁有兩份測量數據。這兩份數據互為備份, 最大限度地提高測量數據的安全性。

1 基于CR1000的海洋剖面測量平臺簡介

海洋剖面測量平臺的控制系統示意圖如圖 1所示, 主控制器和外圍設備之間通過 6個 RS232串口來實現通信。3種測量海洋參數的傳感器為: 傾斜度傳感器、溫鹽深傳感器(CTD)以及多普勒聲學剖面海流傳感器(ADCP)。電機為海洋剖面測量平臺的上升和下沉提供動力。

圖1 海洋剖面測量平臺控制系統示意圖Fig. 1 The control system of moored profile measuring platform

1.1 主控制器

為了充分保證海洋剖面測量平臺的可靠性, 縮短開發周期, 并且降低系統開發的難度, 海洋剖面測量平臺以CR1000作為主控制器。

CR1000是美國CAMPBELL SCIENTIFIC公司的一款數據采集儀(Data Logger), 具有程序掃描時間可設置、時鐘精度高和低功耗等優點, 并具有高精度性、高適應性、高可靠性等特點。本設計通過外接存儲模塊, 便可以獲得2 GB的大容量數據存儲空間。CR1000能夠擴展到6個RS232串口, 滿足了海洋剖面測量平臺對控制接口的要求。

使用單片機和ARM開發硬件, 雖然具有很大的靈活性, 但是需要大量的時間來進行設計和驗證,并且不一定能夠保證長時間正常運行和水下的惡劣環境。CR1000數據采集儀在休眠模式時的功耗大約為 5.4 mW; 具有溫度補償的時鐘設計, 年偏差約3 min, 并能夠使用GPS來進行時鐘校正; 能夠通過更換外接存儲模塊, 實現更大容量的存儲空間。因此,采用 CR1000使得海洋剖面測量平臺的開發方便許多。

1.2 CTD

CTD測量溫度、鹽度、深度三個參數, 具有RS232接口來進行控制和數據通信。選定型號的CTD為自容式傳感器, 控制命令豐富, 滿足雙重數據系統的控制要求。

1.3 ADCP

ADCP即聲學多普勒剖面海流儀, 海洋剖面測量平臺有兩臺不同型號的 ADCP: 一臺具有波浪和海流測量功能, 其內部存儲空間為 4 GB; 另一臺只有海流測量功能, 內部存儲空間為176 MB。這兩種型號的 ADCP控制命令基本相同, 能夠提供多種測量方式, 使得海洋剖面測量平臺能夠以最簡單的方式對其進行控制。兩種型號的ADCP都是自容式的,且都以RS232串口通信。

海洋剖面測量平臺選擇剖面海流儀, 是為了準確獲得剖面海流數據。如果使用點式流速儀, 海洋剖面測量平臺會對海流造成影響, 從而破壞測量的準確性。

1.4 傾斜度

傾斜度傳感器能夠測量兩維的傾斜角度, 通過RS232串口來進行通信。該傳感器主要用于海洋剖面測量平臺姿態的測量, 并和其他數據同步存儲,以便在海洋剖面測量平臺回收后能夠進行姿態反演。它內部沒有存儲空間, 不是自容式傳感器。具有自動發送測量數據和手動發送測量數據兩種控制方式, 海洋剖面測量平臺選擇手動方式進行控制。

1.5 電機控制

電機為海洋剖面測量平臺提供運動的動力, 同樣通過串口來進行控制。電機具有正轉、反轉、停止等功能, 使海洋剖面測量平臺能夠上浮、下潛和駐留。

2 雙重數據系統的設計

第一重數據存儲在自容式傳感器中, 在圖 2中為最低層中的 CTD和兩個 ADCP, 因此數據是分散存儲的。傾斜度傳感器的測量數據不包含在第一重數據系統中。第二重數據集中存儲在 CR1000擴展2 GB存儲空間中, 為圖2中的頂層CR1000數據儀,通過串口將四個傳感器的測量數據匯集到 CR1000中。雙重的數據系統大大提高了數據的安全性, 使得海洋剖面測量平臺具有了更加穩定的工作特性。

圖2 雙重數據結構示意圖Fig. 2 Dual data system

2.1 第一重數據

第一重數據存儲依靠自容式傳感器實現, 所以主要有CTD和ADCP數據。由于第一重數據存儲在傳感器的存儲空間中, 如圖2中CTD和兩個ADCP傳感器, 因此數據是分散的。傾斜度傳感器用來測量海洋剖面測量平臺的傾斜角度, 測量的數據用作對海洋剖面測量平臺的姿態研究, 驗證海洋剖面測量平臺設計是否符合要求, 不屬于垂直剖面海洋參數。并且選型的傾斜度傳感器不是自容式, 所以第一重數據存儲中沒有傾斜度傳感器的數據。

第一重數據是自容式傳感器自存儲的, 使用各傳感器自身的上位機軟件來讀取數據。根據海洋剖面測量平臺布放置時間的長短, 選取合適的內存容量即可。

2.2 第二重數據

第二重數據存放在主控制器 CR1000的擴展存儲設備中(即2 GB的CF存儲卡), 在圖2中為CR1000的內部存儲器, 數據都采用二進制格式進行存儲。主控制器接收到四個傳感器的數據, 對數據進行處理并存儲在主控制器的擴展存儲設備中。因為主控制器中包含了所有的傳感器的數據, 所以第二重數據是集中進行存儲的。

2.2.1 第二重數據的文件和數據格式設計

為了使集中存儲于 CR1000中的各個傳感器的數據具有獨立性, 各個傳感器都有一個文件用來存儲數據。但具有波浪和剖面海流測量功能的 ADCP有兩個文件。文件中的數據都是由一條條的數據組成, 一條數據是一次測量的數據。每條數據都以時間作為開始, 便于進行數據查詢。如果某一次測量沒有成功, 那么這一次測量的數據會被存儲為零。這樣使得數據的存儲很有規律, 便于管理、查詢和調取。

傾斜度傳感器和CTD傳感器每一秒鐘進行一次數據測量, 數據格式都為ASCII, 一條數據的大小分別為16字節和20字節。具有波浪測量功能的ADCP發出的數據為 ASCII碼字符串, 字符串的大小同剖面海流層數的設置有關, 層數越大數據量越大。從ASCII字符串中提取出海流和波浪測量數據后, 分別存入海流和波浪文件中。只具有剖面海流測量功能的 ADCP發出的海流數據為二進制字符串, 字符串的長度與設置的剖面海流層數有關, 層數越大數據量越大。該傳感器的海流數據與具有波浪測量功能的 ADCP的海流數據內容不完全相同, 因此兩個傳感器的剖面海流數據不能統一存儲在一個文件中。

2.2.2 第二重數據的數據量

傾斜度傳感器若每秒鐘記錄一次數據, 則半年數據量約為240 MB; 若每5 s記錄一次數據, 則半年數據量約為48 MB。CTD若每秒鐘記錄一次數據, 則半年數據量約為300 MB; 若每5 s記錄一次數據, 則半年數據量約為60 MB。

剖面海流測量周期一般為 10 min, 而波浪測量的周期一般為 60 min, 再加上海洋剖面測量平臺需要運動和穩定的時間, 因此波浪和剖面海流的真實測量周期會比一般周期大許多。并且一條波浪數據和一條剖面海流數據都不大, 分別為 144和 500字節。因此它們的數據量會遠小于傾斜度傳感器和CTD傳感器所產生的數據量。

由第二重數據中各部分數據量的估算可知, 主控制器CR1000擴展的2 GB存儲空間, 滿足海洋剖面測量平臺第二重數據系統對于存儲空間的需求。

2.2.3 第二重數據的讀取

第二重數據通過海洋剖面測量平臺的上位機軟件來調取, 為此設計了多個數據調取命令。比如調取某天傾斜傳感器數據命令、調取全部CTD數據命令、以及調取某天海流數據命令等等。海洋剖面測量平臺的上位機軟件通過串口協議來和 CR1000進行通信, 數據通信有開始和結束標志, 并且具有校驗位,充分保證了數據傳輸的可靠性和正確性。

3 雙重數據存儲的關鍵技術

第一重數據的關鍵技術是直連命令。直連命令可以在不拆卸海洋剖面測量平臺的情況下, 通過自容式傳感器自身的上位機軟件讀取測量數據, 并對傳感器進行設置和調試。第二重數據系統的關鍵技術是存儲海洋剖面測量平臺的運行狀況信息。擁有這些信息后便可以對海洋剖面測量平臺的運行狀況進行模擬和分析, 從而對海洋剖面測量平臺的運行狀況進行優化。

3.1 第一重數據系統的關鍵技術

直連命令要實現的功能為: 傳感器自身的上位機軟件(安裝在 PC機上)通過 CR1000的中繼, 和傳感器進行連接通信, 功能示意圖如圖 3。但是, 一次只能連接一臺傳感器, 此時CR1000相當于一個多路開關。

第一重數據讀取時, 首先需要使用海洋剖面測量平臺的上位機軟件發送相應的直連命令給CR1000, 以便CR1000進行直連操作; 其次, 打開傳感器的上位機軟件進行連接, 連接成功后便可以進行第一重數據的讀取。

圖3 直連命令功能示意圖Fig. 3 Scheme of direct-connect order

3.2 第二重數據系統的關鍵技術

海洋剖面測量平臺在海水中運動時會受到海流等的影響, 因此波浪和剖面海流測量的時間在一個海洋剖面測量平臺的運行周期中是不固定的。如果在波浪和剖面海流存儲的文件中加入海洋剖面測量平臺運行周期的信息, 那么從一條波浪或者剖面海流數據中, 就可以直接知道它是一天中的第幾個周期和第幾次駐點。海洋剖面測量平臺運行周期信息包括周期數和駐留點編號。周期數是指一天當中的第幾次周期(也可稱為升沉次數)。駐留點編號是指一個周期中上升過程中的第幾次駐留。上位機軟件將會反演海洋剖面測量平臺的姿態, 如果沒有存儲海洋剖面測量平臺運行周期的信息, 那么就需要進行邏輯推斷。但是邏輯推斷有可能出錯, 因此存儲海洋剖面測量平臺運行周期信息就顯得很有必要。

4 實驗結果

本實驗是在實驗室進行的, 主要驗證雙重數據系統各部分功能的實現情況。由于海洋剖面測量平臺項目沒有進入樣機實驗階段, 因此此處只給出了實驗室的實驗結果。

第一重數據主要測試直連命令, 需要調試的直連命令有 3個: 傾斜度傳感器直連命令、CTD直連命令和ADCP直連命令。經過反復測試, 得到如下結果: CR1000的程序掃描周期設置在100 ms以內(包括100 ms), 直連命令便能夠正常工作。

第二重數據主要進行數據存儲的測試, 由于數據讀取部分需要與海洋剖面測量平臺的上位機軟件協調進行, 此處暫不給出結果。實驗測試時, 海洋剖面測量平臺的工作設置如下: 運行周期設為60 min,一個周期內駐點數量設為 4, 傾斜度傳感器和 CTD的采樣周期為1 s, 兩個ADCP在每個駐點進行各測量一次剖面海流, 一個周內期具有波浪測量功能的ADCP測量一次波浪。

圖 4為海洋剖面測量平臺工作 1天后, 位于CR1000擴展存儲模塊中的第二重數據系統的文件信息圖, 圖中共有5個文件: Angle.dat和CTD.dat分別為傾斜度傳感器和 CTD的數據存儲文件,ADCPDown.dat為只測量剖面海流的 ADCP的數據存儲文件, ADCPUp_current.dat和ADCPUp_wave.dat為具有波浪測量功能的 ADCP的剖面海流和波浪數據存儲文件。

海洋剖面測量平臺工作 1天時間后, 第二重數據中各個文件的理論數據量如下: Angle.dat文件的數據量為1 382 400字節; CTD.dat文件的數據量為1 728 000字節; 只具有剖面海流測量功能的ADCP的層數設置為10, 文件數據大小為12 288字節; 具有波浪測量功能的 ADCP的層數設置為 5, ADCPUp_current.dat文件數據量為 23 808字節; ADCPUp_wave.dat文件數據量為3 456字節。

圖4 第二重數據的一天數據存儲量圖Fig. 4 Daily size of second data

通過對比理論值和圖 4中實際的文件大小, 可以得到如下結論: 第二重數據的實際數據存儲大小與理論計算一致。再將第一重數據和第二重數據中的共有部分的數據內容進行對比, 可知第二重數據存儲的數據內容和格式也是正確的。因此, 第二重數據的存儲是正確無誤的。

綜上所述, 本論文設計的雙重數據系統能夠滿足設計要求, 也就是能夠保證海洋剖面測量平臺安全可靠的工作。

5 結語

一般的海洋監測設備只有單重數據系統, 當發生意外導致存儲設備出現問題時, 存儲設備中的數據就會損壞或者丟失, 那么測量的數據就會被破壞或者完全丟失。此種海洋監測設備的可靠性不高。

與一般的海洋監測設備的單重數據系統相比,雙重數據系統的最大特點是: 充分保證了存儲數據的安全, 提高了海洋剖面測量平臺的可靠性。雙重數據系統的兩重數據互為備份, 并且第一重數據分散存儲, 第二重數據集中存儲。如果其中一重數據損壞或者丟失了, 那么另一重數據仍然能夠提供測量數據。因而能夠最大限度地提高數據安全性, 并提高海洋剖面測量平臺可靠性。

除了上述的雙重數據系統的特點外, 海洋剖面測量平臺作為新型的海洋監測設備, 它只需要一組傳感器, 大大降低了剖面海洋參數測量的成本, 并且具有全天候的測量能力。因此, 基于CR1000的海洋剖面測量平臺不僅擁有良好的應用前景, 而且會彌補我國在垂直剖面測量方面的不足。

[1] 劉素花, 龔德俊, 徐永平, 等. SD卡在海洋數據存儲中的應用[J]. 海洋科學, 2009, 33(3): 16-20.

[2] 劉素花, 龔德俊, 徐永平, 等. 基于單片機的海洋環境監測系統的控制電路設計[J]. 海洋科學, 2009,33(8): 67-71.

[3] 商紅梅, 張少永, 沈高山. 極區冰蓋下定點剖面測量系統[J]. 海洋技術, 2006, 25(3): 23-26.

[4] 商紅梅. 系纜式水下自動升降平臺[J]. 海洋技術,2005, 24(1): 19-24.

[5] 劉素花, 龔德俊, 徐永平, 等. 海洋剖面要素測量系統波浪驅動自治的實現方法[J]. 儀器儀表學報, 2011,32(3): 603-609.

Design of moored profile measuring platform's dual data system based on CR1000

GUO An-gang1, ZHANG Xi-yan2, QI Sheng-bo1, CHEN Zong-xi1
(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)

Sep., 1, 2011

dual data system, datalogger, CR1000, profiling measurement

We designed and developed a dual data system for moored profile measuring platform. This dual data system could make sure that data were stored and read right and safely. First data were stored in self-contained sensors and were read by the use of sensor’s software through CR1000; second data were stored in CR1000, and were read by the software of the moored profile measuring platform. Experimental results showed that measured data was well stored and read, demonstrating the security of the moored profile measuring platform’s data is guaranteed.

TP274+.2

A

1000-3096(2012)07-0123-05

2011-09-01;

2012-03-13

國際合作項目(2007DFR90130)

郭安剛(1987-), 男, 陜西西安人, 碩士研究生, 從事海洋監測技術, 電話: 15275237893, E-mail: guoangang123@gmail.com

(本文編輯：劉珊珊)