海床基傳感器數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制單元設(shè)計(jì)

王思又 鄭衍寧 鄭坤

摘? 要：目前傳統(tǒng)海床基傳感器存在數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化控制、多傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、水下硬件維護(hù)困難等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，提出一種海床基傳感器數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制單元的設(shè)計(jì)方案，主要包括海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與處理、傳感器遠(yuǎn)程控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化三個(gè)部分的功能。通過(guò)下水測(cè)試，驗(yàn)證了該方案對(duì)解決海床基多傳感器自動(dòng)化控制等問(wèn)題的有效性。

關(guān)鍵詞：海床基傳感器;數(shù)據(jù)采集;遠(yuǎn)程控制;復(fù)合纜通信

中圖分類號(hào)：P716? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）03-0080-04

Abstract： At present， there are some problems in traditional seabed-based sensors， such as automatic control of data acquisition， multi-sensor condition monitoring， difficulty in underwater hardware maintenance and so on. In order to solve the above problems， a design scheme of seabed-based sensor data acquisition and remote control unit is proposed， which mainly includes three functions： real-time transmission and processing of ocean observation data， sensor remote control and state monitoring， and real-time data visualization. Through the launching test， it is verified that the scheme is effective in solving the problems of seabed-based multi-sensor automatic control.

Keywords： seabed-based sensor; data acquisition; remote control; composite cable communication

海洋觀測(cè)技術(shù)裝備包括海洋觀測(cè)平臺(tái)裝備及傳感器設(shè)備，是海洋工作的必要支撐手段，在海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)進(jìn)程中具有重要的戰(zhàn)略地位[1]。海床基作為一種高可靠、低功耗、連續(xù)性觀測(cè)海洋水文、海洋生物、海底地質(zhì)等要素的重要設(shè)施，是獲取海洋表面及水下綜合數(shù)據(jù)工作中不可或缺的技術(shù)手段[2，3]。

目前，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的海床基觀測(cè)系統(tǒng)，在技術(shù)上趨于成熟，但在應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在傳感器采集與控制單元上，其中包括數(shù)據(jù)采集及傳輸安全問(wèn)題、傳感器遠(yuǎn)程控制問(wèn)題及傳感器設(shè)備維護(hù)問(wèn)題。為解決以上三個(gè)問(wèn)題，本文結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和傳感器實(shí)際觀測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，提出了一種海床基傳感器數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制單元設(shè)計(jì)方法，為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

同海床基自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一樣，本設(shè)計(jì)中所提出的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制單元（下文簡(jiǎn)稱采集控制單元）是一種適用于海床基多傳感器自動(dòng)化工作與控制的裝置，該裝置主要包括兩部分，即水下部分和水上部分[4，5]。

水下部分主要指的是水下數(shù)據(jù)采集與控制器，它與傳感器安裝在海床基搭載平臺(tái)上，水上部分包括水上數(shù)據(jù)接收與控制器、電源管理控制器和數(shù)據(jù)可視化工控機(jī)，它們部署在近海岸固定觀測(cè)平臺(tái)上。海床基平臺(tái)內(nèi)傳感器與采集控制單元水下部分通過(guò)串口通信，采集控制單元水下部分再通過(guò)海底光纖電源復(fù)合纜（下文簡(jiǎn)稱復(fù)合纜）與水上部分進(jìn)行相連，組成完整通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。其中，復(fù)合纜在滿足采集控制單元水上水下設(shè)備通信要求的同時(shí)，對(duì)整個(gè)海床基中的硬件設(shè)施進(jìn)行供電，在水上部分，復(fù)合纜分別與近海岸固定觀測(cè)平臺(tái)中的電源控制器和水上數(shù)據(jù)接收與控制器相連，其中電源控制器用來(lái)控制水下設(shè)備的電源切換，水上數(shù)據(jù)接收與控制器將數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理解析后將數(shù)據(jù)發(fā)送給可視化工控機(jī)，由可視化工控機(jī)對(duì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最終的處理及可視化顯示，可視化工控機(jī)提供控制水下傳感器操作功能，將操作命令再通過(guò)數(shù)據(jù)接收鏈路發(fā)送給傳感器設(shè)備。具體工作原理如圖1所示。

1.2 硬件組成

海床基傳感器數(shù)據(jù)采集與控制單元整體硬件組成及通信原理如圖2所示，主要包括水上和水下兩個(gè)部分。

1.2.1 水下部分

水下部分即水下數(shù)據(jù)采集與控制器，它由多傳感器接口集成管理板卡、通信控制與數(shù)據(jù)處理板卡和光纖數(shù)據(jù)傳輸控制器組成。多傳感器接口集成板卡主要是用于接入海床基所搭載的各海洋信息采集設(shè)備，便于接口統(tǒng)一管理。通信控制與數(shù)據(jù)處理板卡主要是用于承接多傳感器接口集成板卡與光纖數(shù)據(jù)傳輸控制器兩個(gè)硬件的通信，并對(duì)其進(jìn)行管理，同時(shí)對(duì)于傳感器傳輸上來(lái)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理。光纖數(shù)據(jù)傳輸控制器主要用于保障水上水下的硬件進(jìn)行正常的光纖通信。具體硬件組成如圖3所示。

1.2.2 水上部分

水上部分包括水上數(shù)據(jù)接收與控制器、可視化工控機(jī)、電源管理控制器，其中水上數(shù)據(jù)接收與控制器由光纖數(shù)據(jù)傳輸控制器、通信控制與數(shù)據(jù)處理板卡組成。數(shù)據(jù)可視化工控機(jī)主要是用于對(duì)海床基傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以及數(shù)據(jù)可視化存儲(chǔ)等。電源管理器主要是針對(duì)于海床基傳感器的電源進(jìn)行管理與控制，從而保障整個(gè)單元正常工作。具體組成如圖4所示。

1.3 功能設(shè)計(jì)

1.3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

海床基平臺(tái)搭載了聲學(xué)多普勒波浪剖面流速儀（ADCP）、聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀（ADV）、溫鹽深儀（CTD）、水位計(jì)等多種物理海洋數(shù)據(jù)采集傳感器設(shè)備。本設(shè)計(jì)中所采用的聲學(xué)多普勒波浪剖面流速儀和聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀的數(shù)據(jù)傳輸頻率最快為1Hz，而溫鹽深儀的數(shù)據(jù)傳輸頻率最快為1.8Hz，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，所以采用高頻補(bǔ)碼統(tǒng)一數(shù)據(jù)位的方式進(jìn)行傳輸，即采用最快1Hz的傳輸頻率，對(duì)于部分頻率較低導(dǎo)致的傳感器數(shù)據(jù)缺失采用補(bǔ)碼的方式進(jìn)行填充，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恢滦浴Ｖ饕獋鞲衅鲄?shù)指標(biāo)如表1所示。

傳感器有效數(shù)據(jù)大小為24字節(jié)，為保證海床基傳感器搭載平臺(tái)的可擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)大小為40字節(jié)。為了降低傳輸能耗和數(shù)據(jù)損失率，采用光纖進(jìn)行傳輸，在此過(guò)程中，底層傳輸協(xié)議采用UDP協(xié)議。

1.3.2 多傳感器參數(shù)配置

海床基安置過(guò)程較繁瑣，通過(guò)頻繁打撈設(shè)備進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)調(diào)整對(duì)海上觀測(cè)人員提出了考驗(yàn)。為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化傳感器參數(shù)配置的工作流程，本文對(duì)傳感器的參數(shù)配置功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多傳感器參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置功能。

傳感器配置主要包括采樣頻率、存儲(chǔ)格式、工作時(shí)間，以及設(shè)備工作環(huán)境信息等。所有參數(shù)設(shè)置操作均在工控機(jī)上完成，然后通過(guò)光纖線路發(fā)送給水下通信控制與數(shù)據(jù)處理模塊，由該模塊將參數(shù)進(jìn)一步解析，發(fā)送給各個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)多傳感器的參數(shù)設(shè)置。

1.3.3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化

海床基傳感器在工作狀態(tài)下，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給水下通信控制與數(shù)據(jù)處理模塊，由該模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，通過(guò)光纖線路發(fā)送給水上部分，最終由數(shù)據(jù)可視化工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及可視化顯示。數(shù)據(jù)可視化工控機(jī)針對(duì)數(shù)據(jù)可視化主要包含以下三部分的內(nèi)容：（1）傳感器采集信息實(shí)時(shí)顯示。工控機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行逐個(gè)字節(jié)實(shí)時(shí)解析，并對(duì)解析數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值驗(yàn)證，檢核無(wú)誤并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，若有誤，則進(jìn)行錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)顯示。（2）歷史數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示。工控機(jī)終端對(duì)已接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，將其通過(guò)動(dòng)態(tài)曲線的形式顯示。（3）傳感器狀態(tài)及輔助信息的實(shí)時(shí)顯示。水下通信控制與數(shù)據(jù)處理模塊將對(duì)傳感器狀態(tài)、工作環(huán)境信息，及傳輸鏈路的通信質(zhì)量實(shí)時(shí)收集，該部分信息將實(shí)時(shí)顯示在工控機(jī)軟件;其中，傳感器采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的顯示，主要依據(jù)（1）中的錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)壓縮與加密

數(shù)據(jù)壓縮對(duì)象為監(jiān)測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)、通信狀態(tài)數(shù)據(jù)及部分采集數(shù)據(jù)，其中，監(jiān)測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)包括傳感器工作狀態(tài)及外部環(huán)境數(shù)據(jù)。

字符數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)字典方法進(jìn)行壓縮，敏感數(shù)據(jù)采用DES進(jìn)行對(duì)稱加、解密，而加密與解密的Key值采用MD5結(jié)合salt算法進(jìn)行加密[6]。進(jìn)而相同Key明文每次經(jīng)過(guò)salt算法添加隨機(jī)數(shù)后，加密生成Key的密文將完全不同，加大了暴力破解的難度，保障了數(shù)據(jù)的安全性[7]。

2.2 傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制

傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)所依據(jù)的硬件包括兩個(gè)部分，一是傳感器本身所具有的硬件設(shè)備，主要是用于監(jiān)測(cè)傳感器自身工作狀態(tài);二是傳感器外部的輔助設(shè)備，如監(jiān)測(cè)酸堿度、溫度等指標(biāo)的傳感器。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)部分信息進(jìn)行采集整理，實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)檢測(cè)的目的。

傳感器遠(yuǎn)程控制依據(jù)第三方函數(shù)庫(kù)（API），實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器遠(yuǎn)程控制功能。整合多個(gè)傳感器的各參數(shù)配置原理，實(shí)現(xiàn)傳感器從單一到復(fù)雜功能的一鍵配置。狀態(tài)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制使得傳感器高效配置，保障傳感器可持續(xù)工作。

2.3 斷電保護(hù)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了降低海上突發(fā)水文災(zāi)害對(duì)水下傳感器及水上觀測(cè)平臺(tái)相關(guān)硬件的破壞，設(shè)計(jì)閾值警報(bào)功能。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理分析，結(jié)合水文環(huán)境災(zāi)害參考指標(biāo)分析，給出異常工作信息，同時(shí)進(jìn)行斷電保護(hù)。

3 下水實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案的有效及實(shí)用性，采用221cm×150cm×50cm的水池進(jìn)行下水實(shí)驗(yàn)。其中，測(cè)試所采用的傳感器為Nortek“浪龍”波浪剖面流速儀AWAC（ADCP）、Nortek“威龍”聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀Vector（ADV），以及美國(guó)SEA-BIRD溫鹽深綜合剖面測(cè)量?jī)x（CTD）。通過(guò)攪動(dòng)池水來(lái)模擬海上水面波浪及水流，使得傳感器測(cè)得持續(xù)變化的參數(shù)測(cè)量值，具體下水測(cè)試情況如圖5所示。

傳感器分別通過(guò)串口線與采集控制單元的水下部分相連，水下部分再通過(guò)復(fù)合纜與采集控制單元的水上部分連接。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中所采集的數(shù)據(jù)可視化效果及傳感器監(jiān)測(cè)信息如圖6所示。

對(duì)比傳感器固有的隨機(jī)軟件與本設(shè)計(jì)中工控機(jī)可視化軟件對(duì)相同原始數(shù)據(jù)的解析結(jié)果，得出數(shù)據(jù)解析正確率達(dá)99.75%。通過(guò)遠(yuǎn)程設(shè)置，更改傳感器采樣參數(shù)，經(jīng)狀態(tài)更新以后，可視化軟件端狀態(tài)（如圖6）也隨之進(jìn)行自動(dòng)化更新。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，針對(duì)海床基傳感器觀測(cè)過(guò)程中仍存在的問(wèn)題，提出了解決辦法。設(shè)計(jì)中集成了多種傳感器的數(shù)據(jù)采集與控制、串口與光纖線路通訊、數(shù)據(jù)分析與可視化表達(dá)等多方面的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海床基傳感器在海洋觀測(cè)工作效率的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅續(xù)業(yè).論海洋觀測(cè)技術(shù)裝備在我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)中的戰(zhàn)略地位[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理，2014，31（03）：37-38.

[2]張毅，孫思萍，齊爾麥，等.海床基自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中央控制單元設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].海洋技術(shù)，2007（04）：1-3.

[3]李民，劉世萱，王波，等.海洋環(huán)境定點(diǎn)平臺(tái)觀測(cè)技術(shù)概述及發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，34（03）：36-42.

[4]齊爾麥，張毅，常延年.海床基海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].海洋技術(shù)，2011，30（02）：84-87.

[5]孫思萍.海床基海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].海洋技術(shù)，2000（04）：1-7.

[6]張馳.基于DES和RSA混合加密的即時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廈門大學(xué)，2017.

[7]魏曉玲.MD5加密算法的研究及應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2010，34

（07）：145-147+151.