基于Iridium9602的北極海冰綜合監測系統的設計與應用

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平衡變化機理，設計并實現了基于Iridium 9602的北極海冰多參數綜合監測系統。其主要由海冰各項物理參數的數據采集部分和數據傳輸部分組成，數據采集部分集成了對海冰上方風速風向、空氣溫濕度、太陽光輻射、冰面積雪厚度、海冰溫度等參數的監測，海冰溫度通過縱向等距定點的方式監測。數據傳輸部分依托銥星9602模塊，通過向國內固定IP及指定郵箱傳送所采集的數據，來實現實時遠程監控。該監測系統解決了極地監測需要人工值守的問題，實現了自動監測和實時監控。

關鍵詞： 北極海冰； 銥星9602； 綜合監測； 遠程通信； 物質平衡； 人工值守

中圖分類號： TN931+.3?34 文獻標識碼： 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

極區海冰在全球氣候系統中扮演著重要角色，影響著大洋表面的物質、能量、輻射的平衡，進而通過在大洋溫流、鹽流的形成和循環過程中影響著全球的氣候[1]。極地冰蓋物質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理具有很大的意義，作為象征冰蓋過去和現在狀況的重要參考指標之一，極地冰蓋物質平衡的研究在國內外已成為熱點[2]。

目前國內外對于冰物質平衡的測量方法主要有實地測量雪面高度差獲取積累的雪面數據的花桿法、利用超聲波獲得雪面高度數據的雪深儀器測距法，通過挖采雪坑或者鉆取冰雪芯樣品得到物質平衡信息的雪坑、冰雪芯法等[3]。以上技術手段受限于現場作業、測量參數單一、監測時間跨度較短等因素，得到的數據之間無法很好地進行整合，對于冰蓋物質平衡的變化規律難以得出較為系統的結論。因此有必要對于影響到冰物質平衡的多項參數同時進行監測，通過銥星傳輸技術，將數據傳回國內進行分析，克服人工值守、科考周期短、科研數據不充分的問題。

1 系統總體設計

監測系統主要由供電模塊、數據采集模塊、數據遠程傳輸模塊和遠程實時顯示模塊四部分組成。系統框圖如圖1所示，供電模塊由兩個子模塊組成，陽光充足，風速足夠時，太陽能充電板與小型風機產生的能量對蓄電池組進行充電同時完成對系統的供電工作，在遭遇極夜、風速較低的境況時，風光模塊無法滿足供電需求，就轉由蓄電池組對系統供電。這樣的設計因地制宜地利用了當地清潔能源豐富的優勢，緩解了化學能源供給不便的問題[4]。數據采集模塊分為冰上監測和冰下監測兩個部分：冰上監測主要完成對空氣溫度、濕度，風速風向，光輻射的監測；冰下監測主要完成對積雪厚度、海冰溫度的監測。每隔1 h系統都會對各項參數進行一次采集，將采集到的數據存儲到SD卡中，以文本方式保存。數據遠程傳輸系統，對數據進行采集后，主控芯片通過銥星終端將收到的數據發送給國內的監控中心，銥星對數據傳輸時，功耗比較大，為了盡量降低功耗，每采集3次數據，才會啟動1次銥星模塊。數據發送完成后，銥星模塊關閉電源，進入休眠狀態，等待下次數據的到來[5]。

2 系統硬件電路

2.1 主控板

主控芯片選用德州儀器公司生產的數字信號處理芯片DSP F28335，外接30 MHz晶振，芯片內部鎖相環電路進行倍頻。其主頻可達150 MHz，6.67 ns的時鐘周期，32位浮點處理單元，F28335具有強大的運算能力和數字處理能力。同時還具有豐富的I/O口和串口資源，3個串行通信接口，一個串行外設（SPI）接口，一個內部集成電路（I2C）總線，2個McBSP模塊（可配置為SPI）和2個控制器局域網（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定的通信通道[6]。整個監測系統需在無人值守的條件下完成全自動監測，主控芯片采集發送數據需要以精準的時鐘為參照。本設計選用時鐘芯片SD2200，該款芯片為高精度實時時鐘芯片，內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也能保證時鐘使用壽命達五年之久[7]。在設備投入使用時，對時鐘模塊進行校準，與國內時間進行同步，傳回的數據帶有時間信息，便不會因通信延時而對數據產生誤判。

2.2 傳感器選型

在對傳感器進行選型時堅持低功耗，低溫下性能良好的原則，具體選型見表1。其中風速、風向、光輻射、積雪厚度傳感器類型支持RS 485電氣傳輸協議，采用一主多從的方式與主控板進行連接。對于空氣溫濕度和海冰溫度鏈傳感器通過配置2個獨立的I/O口即可進行電氣連接[8]。海冰溫度鏈傳感器是實驗室自主研發的傳感器，以DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器DS28EA01為基礎元件，采用菊鏈方式將多個傳感器連接在一起。針對使用環境為1 m左右的海冰區，溫度鏈長度設計為3 m，每3 cm為一個檢測點，整條溫度鏈有100個檢測點。制作工藝為柔性PCB，用含膠熱縮管進行防水封裝，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星星群，由66顆低地球軌道交叉互連組成，以全網狀網絡運行，并有多個衛星在軌備用。其最大的優勢便是通信范圍可以覆蓋全球，銥星星群的結構確保了通信的高可靠性和低延遲性，不受天氣、高度、電離層、距離等不穩定因素的制約，特別是常規通信手段無法使用的北極地區，銥星通信模塊是一個能滿足要求的擇優選擇。另外，銥星通信模塊通信資費低、功耗小的特點也滿足該監測系統的低功耗，節省應用成本的要求[9]。

本系統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協議，結合銥星通信公司提供的全球覆蓋網絡銥星數據業務（SBD），通過采用數據包的方式實現短消息雙向傳輸。本系統中，主控板通過9線RS 232串口向銥星模塊發送AT指令集，實現SBD業務。用戶可以通過郵件協議方式或DirectIP鏈接方式獲取數據，也可在終端之間進行數據收發[10]。Iridium 9602一次最大可發送340 B信息，最大可接收270 B信息。通信速率最高可達115 200 bit/s，默認波特率為19 200 bit/s，可通過AT+IPR命令設置。

3 軟件實現

3.1 系統主程序設計

系統主程序是整個軟件程序設計的中心部分，調用所有硬件資源完成對數據的采集、處理、發送等一系列工作。主要通過中斷喚醒方式來控制各個模塊實現其功能。主程序的設計分為如下三個步驟：

1） 硬件初始化，上電后，控制板處于復位狀態，關閉看門狗，進行硬件初始化工作，完成對I/O口和串口的配置工作，然后進入低功耗休眠狀態。

2） 配置中斷函數。中斷函數主要用來完成具體的數據采集、存儲、顯示的工作。當完成數據采集工作后，向控制板發起中斷請求，控制板被喚醒，進入正常工作狀態，檢查數據完整與正確性，然后對其進行顯示存儲，根據條件啟動銥星通信模塊，向國內基站發送數據。

3） 再次進入休眠狀態。中斷程序依次執行完畢后，清除中斷標志關閉中斷，繼續執行主程序剩下的程序，最后完成整個程序的運行后，單片機下電進入休眠狀態等待下一次程序的重新開始。在執行這些中斷程序時，嚴格地控制了每個電路模塊的開斷，盡可能減小系統的功率損耗，使其處于低功耗模式運行。系統主程序流程圖如圖2所示。

3.2 銥星遠程通信終端程序設計

主板通過串口向銥星SBD數據透傳模塊發送AT指令來控制透傳模塊的數據傳送工作。銥星發送數據時，其功耗最大。發送AT+CSQ命令可查詢當前銥星模塊與銥星衛星之間網路連接的信號強度，只有應答信號強度大于3，即強度為4或者5時，銥星SBD傳輸才會在很短的時間內完成；若是在銥星信號較弱的情況下，即使啟動SBD傳輸，也需要等待較長時間直到信號較強時才能完成銥星遠程傳輸[11]，具體的銥星傳輸數據控制流程如圖3所示。

3.3 遠程監控中心的設計

遠程監控中心采用C#語言和SQL Server數據庫以.NET Framework為平臺設計開發的一個上位機實時顯示系統，對于從極地通過銥星遠程傳輸模塊傳回的數據進行簡單的處理，可以實時清晰地顯示監測系統所在的位置如圖4所示。其中塔狀圖標即為浮標所在位置，對當前海冰的各項物理參數及系統的運行狀態也可以實時顯示，如圖5所示。

4 系統調試及北極現場應用分析

監測浮標最終將安裝于北極現場，北極氣候特點是冬季寒冷漫長，夏季短暫涼爽，冬季大部分地區最低氣溫可低至-50 ℃。為了保證設備能在冬季正常工作，所購買設備的工作環境溫度都滿足-40 ℃。調試過程在最低溫度可達-60 ℃的低溫實驗柜中進行。首先對每個傳感器進行低溫下性能檢測，然后將整套一件系統搭建起來進行系統穩定性測試實驗。為期近1個月的穩定性試驗發現如下問題：銥星遠程傳輸受周圍環境影響較大，如天氣或者遮擋物影響，數據沒有按時傳到指定郵箱；海冰溫度鏈因為制作工藝問題，防水性能欠佳，漏水導致器件損壞；軟件程序設計存在瑕疵，對于采集的數據，沒有進行發送前二次檢查機制，比如漏水導致海冰溫度鏈采集的錯誤數據，未進行常識性預判，就通過銥星發送。

在針對性地解決如上問題后，實驗數據良好，圖6為擇選地同一天檢測系統的穩定性試驗數據。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律；光輻射傳感器也只有在白天太陽照射時才有數據，而且中午時光照最強；風速、風向傳感器也能正常運轉；超聲波測得的距離與實際所測的距離基本相符；整個系統能正常運行。

5 結 語

本文基于銥星通信技術設計和實現一種遠程監測和數據傳輸的海冰多參數綜合監測浮標。該設備經過充分的穩定性監測和系統程序優化，于2016年7月11日由實驗室左廣宇博士攜帶，跟隨中國第七次北極考察隊前往北極，執行科考工作。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，以及考察隊投放的國外浮標一起，構成北極海冰監測浮標陣列。12套浮標數據通過銥星系統實時傳回設在實驗室的監測中心[12]。目前已傳回上百條完整的監測信息。該監測系統很好地滿足了海冰定點多參數綜合檢測的需求，達到了設計目標。

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