多參數海洋浮標實時采集系統的設計

姜靜波, 徐永平, 李思忍, 陳永華, 倪佐濤, 涂登志

(中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

科學家提出, 21世紀是海洋的世紀, 在海洋科研日益活躍的今天, 對深海海洋環境的探索逐漸成為研究熱點。深海浮標是深海海洋立體監測系統的重要組成部分[1], 在人類進一步了解陌生的大洋環境的探索中起著重要的作用。深海觀測浮標最先由美國、日本等國家海洋科技工作者提出并研發,具有代表性的有美國伍茲霍爾海洋研究所研制的ATLAS浮標和日本海洋科學技術研究中心研發的TRITON浮標。近幾年來, 隨著國家對深海科研的投入力度的加大, 國家海洋局和中國科學院等單位在多方調研的基礎上, 也紛紛研制了應用于深海大洋的多參數觀測浮標, 并投入深海科研應用。本文針對多參數深海浮標研發了一套高度自動化、模塊化的實時采集系統。該系統基于自動化測控和計算機編程技術, 利用面向對象開發語言和網絡數據庫開發的多參數數據采集系統, 可以通過衛星將大洋深處的海洋浮標不同傳感器采集到的數據實時地傳回路基, 完成無人值守環境下深海環境的自動監測。

1 實時采集系統整體介紹

實時采集系統的整體由數控模塊、數據傳輸模塊和陸基接收模塊 3部分構成。數控模塊是整套浮標的核心指揮部分, 分為控制單元和數據采集單元,二者通過總線通信, 且由蓄電池組和太陽能電池板提供能源, 管理著電力加載、浮標狀態監測和衛星通信過程; 而陸基接收模塊則是觀測數據直觀的反饋載體, 主要由通過開發的計算機軟件程序完成數據的顯示與存儲。

2 控制模塊

控制模塊負責浮標系統的電源管理, 傳感器工作時序管理, 傳感器數據采集管理, 浮標狀態監測和衛星通信管理, 其結構功能如圖1所示。

圖1 控制模塊結構圖Fig.1 Control model structure diagram

考慮到浮標集成多種傳感器, 且飄浮于海面,數據采集器要求體積小、功耗小、可靠性高[2], 經選擇采用 Campbell公司的 CR1000型號產品, 可滿足低電量、高精度的測量要求。包括模擬和數字輸入、輸出及存儲, 易于被用戶程序關聯的操作系統所控制[3]。數據采集器接入的設備包含風速風向、溫濕度、氣壓傳感器、多普勒海流剖面儀、濁度葉綠素傳感器、波浪傳感器、方位傳感器和溫鹽深傳感器。

供電系統主要由多組蓄電池并聯組成, 正常輸出 12 V, 由于部分傳感器需要特定的電壓, 通過變壓模塊產生48 V和5 V的電壓供特定設備使用。安裝于浮標上部架體4塊面積為0.4 m2的太陽能電池板與蓄電池組連接。在有光照的環境下, 利用控制器實現太陽能板給蓄電池充電, 當蓄電池輸出電壓超過 17 V時, 過充保護電路接通, 太陽能板對蓄電池緩充電; 當蓄電池組輸出電壓回落到13.6 V時, 過充電路解除限制, 恢復太陽能電池板對蓄電池的正常充電。為不可預見性的停電狀態下系統的正常運行提供電力, 確保數據獲取在時間序列上的完整性。

浮標能源消耗設備主要分為以下幾個部分: 傳感器組(溫濕度傳感器、風向風速傳感器、氣壓傳感器、ADCP多普勒海流計、溫鹽深傳感器、濁度葉綠素傳感器、方向方位傳感器、波浪傳感器等), 通信衛星和控制單元(數據采集、電源控制、漏水報警、艙蓋報警、電源監測報警等)。其能耗參數的統計如表1所示。

表1 浮標主要用電設備工作參數Tab.1 Buoy mainly electrical equipment operating parameters

對于各部件的加電時序設計, 充分考慮了各部件能耗, 以保證能源的合理分配和供給。各用電設備加電時序設計如圖2所示,

圖2 浮標傳感器加電時序圖Fig.2 Sequence diagram of buoy sensors power up

3 數據傳輸模塊

在數據傳輸的選擇上, 根據國家有關部門的要求, 海上氣象水文數據觀測時的衛星通信系統要優先考慮國產衛星, 對比較敏感的剖面數據傳輸原則上不得使用國外衛星系統。因此, 考慮到數據保密的要求, 浮標通信系統采用北斗通信衛星來實現。北斗定位系統可向用戶提供全天候的即時定位服務, 授時精度可達數十納秒(ns)的同步精度, 北斗導航系統三維定位精度約幾十米, 授時精度約100 ns。

采集數據經過 CR1000整合后通過北斗衛星發射模塊發送到北斗網絡上, 然后由地面站指定的北斗接收模塊傳入陸基終端計算機, 然后通過專門編制的數據接收處理軟件進行接收, 并對數據解碼、顯示、存儲、打印, 數據傳輸流程如圖3所示。

圖3 數據傳輸流程Fig.3 The flow chart of data transmission

4 陸基接收模塊

陸基接收模塊系統包含高性能工控計算機和接收軟件。可按用戶要求, 在無人值守的情況下, 長期、連續地記錄浮標現場的海洋環境要素。

陸基接收程序實為標準化的數據管理系統。軟件方面選擇 Visual C# 作為前臺開發工具, SQLServer2008作為網絡數據庫, 擁有強大的數據管理功能, 見圖4、圖5。SQL是Structured Query Language的縮寫, 意思為結構化查詢語言。SQL語言的主要功能就是同各種數據庫建立聯系, 進行溝通, 被作為關系型數據庫管理系統的標準語言。SQL語句可以用來執行各種各樣的操作, 例如更新數據庫中的數據, 從數據庫中提取數據等。該程序具有網絡服務能力的服務器系統, 以及可導出到單機運行的基于 Access平臺的鏡像部分。硬件方面擬采用專用數據庫服務器。

圖4 浮標監控軟件功能結構圖Fig.4 Function structure of buoy monitoring software

圖5 深海浮標陸基接收系統主界面Fig.5 Software of buoy monitoring system

主界面顯示接收的最近一次的衛星數據。左上部分為浮標的狀態顯示, 經度和緯度數據顯示浮標的位置信息, 橫搖和縱搖數據顯示浮標的姿態信息,地圖控件顯示浮標的直觀工作區域, “開倉”、“進水”、“漂移”和“錨燈”4個指示燈顯示浮標自身的狀態, 可供陸基工作人員遠程監控。左下方為浮標氣象傳感器的數據回傳顯示。通過可視化儀表部件直觀地顯示浮標工作海域的風向、風速、溫度、濕度、氣壓、降水數據。界面右側整體為水文數據的接收窗口, 呈現溫鹽、海流、波浪、濁度、葉綠素等海洋要素的實時更新。

導航欄里的按鍵對應不同功能的軟件窗口, 便于數據的顯示、查詢、更新及圖表的輸出。用戶可根據需要進行相應的數據檢索, 程序將按照輸入的查詢條件在數據庫中進行檢索并顯示在表格中。如果想了解某參數近一段時間的整體變化, 可以通過選擇傳感器類型和查詢時間, 調出該組數據的時間序列變化曲線。

5 結束語

多參數海洋浮標實時采集系統各功能模塊均預留了可擴展的軟硬件接口, 方便浮標所搭載傳感器的增減。陸基接收軟件可移植性強, 可廣泛服務于多種規模的海洋觀測浮標, 具有較強的實用價值。

[1] 張強, 王玉峰.海洋浮標的非接觸式電能與數據傳輸[J].儀器儀表學報, 2010, 31(11): 2615-2621.

[2] 李秀橋, 賈智平.海洋監測系統實時數據采集及聚類分析的研究[J].計算機工程與應用, 2007, 43(9):214-217.

[3] Campbell Company.CR1000 operator’s manual[R].USA: Campbell Company, 2009.