基于雙STM32的海洋浮標(biāo)采集控制系統(tǒng)

楊海慶

（中船重工集團(tuán)第七一○研究所，宜昌 443000）

海洋浮標(biāo)是一種無人值守的實時海洋水文氣象自動觀測設(shè)備，可長期、連續(xù)、定點、自動檢測海洋水文氣象要素，為災(zāi)害性海洋環(huán)境預(yù)報、海洋開發(fā)、海洋工程提供實時資料，是海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)中資料的主要來源和重要組成部分。

隨著我國“數(shù)字海洋”建設(shè)不斷深入推進(jìn)，海洋觀測已進(jìn)入到對海洋動力、大氣、環(huán)境、突發(fā)事件等實行全天候立體觀測階段，海洋浮標(biāo)從單一的氣象浮標(biāo)或水文浮標(biāo)，發(fā)展到綜合多參數(shù)浮標(biāo)，浮標(biāo)的復(fù)雜化帶來了監(jiān)測傳感器的專業(yè)化和多樣化，浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)已從傳統(tǒng)的風(fēng)、溫、濕、壓觀測擴(kuò)展到波浪、鹽、流、水質(zhì)等，傳感器數(shù)量類型繁多，接口包括模擬、脈沖、數(shù)字，特別是數(shù)字傳感器越來越多的使用，使得對串口通信接口的需求增加?；诟?biāo)的發(fā)展，并應(yīng)某公司要求，設(shè)計開發(fā)一種采用雙STM32組成主從控制核心，能夠擴(kuò)展到10個串口接口，搭配RS232、RS485、RS422接口電路，能夠匹配多種不同數(shù)字接口的傳感器，適應(yīng)更多用途的海洋浮標(biāo)。

1 采集控制系統(tǒng)概述

海洋浮標(biāo)采集控制系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、搭載的傳感器、控制中心、北斗終端組成。電源系統(tǒng)一般為蓄電池與太陽能電池組成雙電源供電。搭載的傳感器有風(fēng)向風(fēng)速傳感器、水溫傳感器、氣溫傳感器、氣壓傳感器、方位傳感器、GPS等傳統(tǒng)傳感器，還能夠搭載如波浪傳感器、海流傳感器、生態(tài)傳感器等數(shù)字接口的傳感器?？刂浦行牟捎秒pSTM32單片機(jī)作為控制核心和核心擴(kuò)展，主、從機(jī)之間采用串口通信；連接北斗終端用以實時傳輸采集到的各種數(shù)據(jù)。其組成框圖見圖1所示。

圖1 采集控制系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與電路設(shè)計

2.1 供電系統(tǒng)功能

浮標(biāo)的電源來至太陽能電池板和蓄電池組，本系統(tǒng)采用的太陽能電池板的功率為60W×4，每塊太陽能板電壓16V～18V，4塊太陽能板并聯(lián)使用（B1～B4）；蓄電池組為12V 100Ah×4，4個蓄電池并聯(lián)使用（B5～B8）。陰雨天時，太陽板電壓低于蓄電池電壓，蓄電池供電系統(tǒng)工作；當(dāng)陽光充足時，太陽能電池可以提供較高電壓和充足電流，一方面給蓄電池組充電，同時為浮標(biāo)系統(tǒng)正常工作提供電源為確保北斗終端在蓄電池電壓較低時能正常工作，北斗電源從太陽能電池板與蓄電池電源接口處就近引出，降低電纜上壓降。由于北斗終端是定時上電工作，控制中心輸出控制信號控制繼電器常開點閉合，為北斗終端提供電源。電源系統(tǒng)電路見圖2。

圖2 電源系統(tǒng)電路

2.2 多參數(shù)采集傳感器

依據(jù)功能分析，多參數(shù)數(shù)據(jù)采集任務(wù)由風(fēng)速風(fēng)向、氣壓、方位、波浪、海流（擴(kuò)展）、生態(tài)（擴(kuò)展）、GPS傳感器以及自制水溫、氣溫、報警傳感器完成。通過比較各傳感器的性能以及行業(yè)內(nèi)廣泛使用，選擇如表1所示傳感器并列出相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表1 傳感器配置表

2.3 控制中心功能

控制中心通過模擬或數(shù)字接口與傳感器相連，采集水文、氣象要素，存儲采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集計算方法遵守以下兩個標(biāo)準(zhǔn)要求：GB/T 14914-2006《海濱觀測規(guī)范》；HY/T 059-2002《海洋站自動化觀測通用技術(shù)要求》。

2.3.1 風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)采集

根據(jù)搭載的傳感器，風(fēng)速信號為正弦波，測算頻率f，風(fēng)速值 =0.098/f（m/s）；

風(fēng)向采集后須校正到真實方向。安裝時風(fēng)向磁羅盤指北線與風(fēng)傳感器的零度方向與浮標(biāo)上的基線對齊。校正方法為：真實風(fēng)向=風(fēng)方位傳感器測量值+風(fēng)向測量值，大于360時，減去360。

（1）瞬時風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向

瞬時風(fēng)速：1s 采樣一次（自整時開始，含整時），3s內(nèi)的算數(shù)平均值為瞬時風(fēng)速；

瞬時風(fēng)向：3s采樣一次的值為瞬時風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)向；

（2）基本風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向（1min）

基本風(fēng)速：1min內(nèi)的瞬時風(fēng)速的平均值，1min 21個樣，下一分鐘取上一分鐘的最后一個值，經(jīng)誤差處理后，計算瞬時風(fēng)速的平均值為基本風(fēng)速；

基本風(fēng)向：1min內(nèi)瞬時風(fēng)向的矢量平均，1min 21個樣，下一分鐘取上一分鐘的最后一個值，通過單位矢量合成作為1min的平均風(fēng)向。

（3）平均風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向（10min）

平均風(fēng)速：每10min一次的十分鐘平均風(fēng)速（自整時00min開始），計算1min風(fēng)程的平均值，并以1min為步長，滑動計算十分鐘平均風(fēng)速，作為該十分鐘結(jié)束時刻的十分鐘平均風(fēng)速。例21，21，…….30分鐘的1min風(fēng)速平均值作為第30分鐘平均風(fēng)速。

平均風(fēng)向：10min平均風(fēng)向，對10分鐘內(nèi)的10個1min風(fēng)向值進(jìn)行單位矢量合成。

（4）最大風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向

最大風(fēng)速：挑取每相鄰兩個定時（30min或60min）之間10min平均風(fēng)速滑動的最大值及出現(xiàn)時間，前一次定時的10min平均風(fēng)速（前一次第20min～第29min的平均風(fēng)速）參與該極值的挑選。

最大風(fēng)向：最大風(fēng)速時刻對應(yīng)的風(fēng)向。

（5）極大風(fēng)速和相應(yīng)風(fēng)向

極大風(fēng)速：每相鄰兩個定時（30min或60min）之間瞬時風(fēng)速的最大值及出現(xiàn)時間，前一次定時的瞬時風(fēng)速參與該極值的挑選。

極大風(fēng)向：極大風(fēng)速時刻對應(yīng)的風(fēng)向。

2.3.2 氣溫、水溫數(shù)據(jù)采集

連續(xù)采樣氣溫、水溫數(shù)據(jù)，每3s采樣一次，連續(xù)采樣1min，1min 21個樣，下一分鐘取上一分鐘的最后一個值，經(jīng)誤差處理后，計算樣本數(shù)據(jù)的平均值，用整點前1min的平均值，作為該整點的觀測值。

相鄰兩次定時之間的氣溫、水溫最高值和最低值，前一次定時（或日界）的測量值參與該極值的挑選。記錄出現(xiàn)最高值和最低值的時刻。

2.3.3 氣壓數(shù)據(jù)采集

為提高采樣分辨率，氣壓傳感器在安裝前通過串口設(shè)定好上下限值，該設(shè)定也可通過采集控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程設(shè)定。P=（上限-下限）×測量電壓/輸出電壓范圍+下限。

連續(xù)采樣氣壓數(shù)據(jù)，每3s采樣一次，連續(xù)采樣1min，1min 21個樣，下一分鐘取上一分鐘的最后一個值，經(jīng)誤差處理后，計算樣本數(shù)據(jù)的平均值，用整點前1min的平均值，作為該整點的觀測值。相鄰兩次定時之間的氣壓最高值和最低值，前一次定時（或日界）的氣壓值參與該極值的挑選。記錄出現(xiàn)最高值和最低值的時間。

2.3.4 波浪數(shù)據(jù)采集

波浪傳感器數(shù)據(jù)通過串口指令讀取。其工作時序為：①在發(fā)送時刻前25分鐘，加電；②延時10秒后，發(fā)啟動工作命令；③延時23分鐘后，發(fā)送索取波浪數(shù)據(jù)命令；④發(fā)送索取波向分布數(shù)據(jù)命令；⑤數(shù)據(jù)接收完畢，切斷電源。

2.3.5 GPS數(shù)據(jù)采集

GPS數(shù)據(jù)通過串口指令讀取。其工作時序為：

①在發(fā)送時刻前2分鐘，加電預(yù)熱；②整點讀取$GPRMC串?dāng)?shù)據(jù)；③數(shù)據(jù)分離，取出經(jīng)緯度坐標(biāo)、有效標(biāo)志、時鐘；④數(shù)據(jù)有效，GPS斷電，若無效，重復(fù)讀取，直至獲得有效數(shù)據(jù)；⑤若GPS數(shù)據(jù)無效，可通過北斗獲得定位數(shù)據(jù)。

2.3.6 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲采用2G U盤，存貯風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、水溫每分鐘的采樣平均值及整點或半點發(fā)送的全部數(shù)據(jù)。存儲格式可采用ASCI I 文本格式。當(dāng)U盤數(shù)據(jù)存儲為ASCI I 碼時，一小時數(shù)據(jù)估計為6600byte，則用2G U盤存儲時間：2G/6600/24/365=34年。因此，經(jīng)過計算，SD中可直接存儲ASCII碼文本文件，這樣U盤數(shù)據(jù)就不需要利用程序?qū)С隽?，直接通過讀卡器讀出。

2.3.7 電路設(shè)計

控制中心采用雙STM32單片機(jī)作為控制核心和核心擴(kuò)展，主、從機(jī)之間采用串口通信。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cor tex-M3內(nèi)核。增強(qiáng)型STM32 F10 3系列時鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。內(nèi)置256K的閃存；時鐘頻率72MHz時，最大功耗70mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。芯片具備80路I/O通道，可靈活配置成16路12bit A/D采集通道，5路RS232接口，2路I2C接口、SPI接口、USB接口。根據(jù)浮標(biāo)功能，控制中心采集傳感器數(shù)據(jù)分兩種，一種是每3s采集一次的傳感器數(shù)據(jù)，這部分傳感器是風(fēng)速風(fēng)向、方位、氣壓、氣溫、水溫；另一種是定時采集的傳感器數(shù)據(jù)，包括GPS、波浪、海流、生態(tài)。主CPU設(shè)計的主要功能為：①通過串口電路，實現(xiàn)與搭載的串口接口的傳感器通信，定時采集傳感器數(shù)據(jù)；實現(xiàn)與北斗終端串口通信，將處理的數(shù)據(jù)按要求定時發(fā)送；實現(xiàn)與U盤串口通信，存儲需要的數(shù)據(jù)；②通過A/D接口電路，采集系統(tǒng)自身的電源電壓及傳感器電源電壓，以檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)；③通過I/O接口電路，實現(xiàn)控制一部分傳感器定時上電、關(guān)電工作。從CPU設(shè)計的主要功能為：①通過串口電路，實現(xiàn)與搭載的串口接口的傳感器通信，每3s采集一部分傳感器數(shù)據(jù)和定時采集一部分傳感器數(shù)據(jù)；②通過A/D接口電路，實現(xiàn)每3s采集A/D接口的傳感器數(shù)據(jù)；③通過I/O接口電路，實現(xiàn)采集I/O接口報警傳感器狀態(tài)。

主CPU與從CPU通過主從應(yīng)答、映射串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主CPU每3s給從CPU發(fā)送同步脈沖，從CPU接受到脈沖后開始采集搭載的傳感器數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，傳輸給主CPU；主CPU也按3s的同步脈沖時間接收從CPU傳來的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過處理，與自己采集、處理的傳感器數(shù)據(jù)一同打包，定時通過北斗終端傳輸數(shù)據(jù)后，再存儲至U盤?？刂浦行脑砜驁D如圖3所示。

圖3 控制中心原理框圖

2.4 北斗傳輸

北斗終端選用的是北京星地恒通信息科技有限公司自主研發(fā)的北斗一號船載型用戶機(jī)（XDP200YX/G），該用戶機(jī)具有北斗定位、短信息通信和GPS定位功能。主要特性：①北斗終端上電可控，可降低系統(tǒng)功耗；②正常狀態(tài)下，北斗終端待機(jī)功耗≤4.5W；③瞬間發(fā)射功耗≤35W；④發(fā)送間隔≥60s；⑤通信申請指令長度≤77Byte，數(shù)據(jù)內(nèi)容長度≤64Byte；⑥可發(fā)送指令獲取當(dāng)前北斗時間信息；⑦可發(fā)送指令獲取當(dāng)前北斗定位信息；⑧工作電壓：9～30V。

3 結(jié)束語

本文闡述一種基于雙STM32的海洋浮標(biāo)采集控制系統(tǒng)，介紹了各組成部分的功能及路設(shè)計，對系統(tǒng)在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集的方法進(jìn)行分析及計算。在保證實現(xiàn)客戶要求的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)在設(shè)計中充分考慮到性價比和擴(kuò)展性等，具有成本不高、擴(kuò)展性比較強(qiáng)、設(shè)計開發(fā)便利等特點。