低功耗雙處理器漂流浮標系統

江 帆，魏兆強，馬 昕，陳朝暉，

（1.中國海洋大學信息科學與工程學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學海洋高等研究院，山東 青島 266100；3.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

漂流浮標是目前常用的海洋觀測設備之一，可對海洋環境情況進行實時有效的監測[1]。相比于其他的海洋觀測設備，其具有體積小、隨流性好、隱蔽性高、成本低、可以實現多點觀測等優點[2]。因此，近些年來，漂流浮標逐漸成為各個國家海洋觀測領域研究的重點[3]。

目前，國外漂流浮標的發展已經走向了產業化階段，并構建了完備的漂流浮標觀測網，為其海洋資源開發、自然災害預警及國土安全保護提供了有力的保障。其中，最具代表性的是美國國防部先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA） 研制的漂流小浮子和美國國家數據浮標中心（National Data Buoy Center，NDBC）研制的海洋漂流浮標。而我國也在漂流浮標領域取得了諸多進展。2019年，國家海洋技術中心研制了一款多參數多種通信方式的漂流浮標[4]，并對此款漂流浮標所搭載的各類傳感器進行了精度實驗；2020年，大連海事大學對漂流浮標耐波性進行了數值模擬，優化了浮標外形和結構參數[5]；同年，青島科技大學對浮標系統進行了力學分析、流場分析和水動力性能分析[6]。

雖然我國在漂流浮標領域取得了眾多突破，但目前常用的漂流浮標仍然存在功能較為單一，無法在海上進行長期、連續、有效觀測[7-8]等問題。本文圍繞漂流浮標海上長時序及多參數的觀測需求，針對現有漂流浮標觀測技術存在的不足，在現代電子技術與通信技術的基礎上，設計了一種新型低功耗、高可靠性、高可擴展性的漂流浮標系統。該漂流浮標能夠實現對漂流海域的氣壓、水溫、波高及波周期等海洋環境要素連續準確地采集。

1 總體設計

本系統相比于常規的漂流浮標，主要區別在于主控制系統運轉過程中具備故障自檢、判斷、修復功能。同時，本浮標相比于其他同種類浮標能夠搭載更多載荷，對電源的管理也更為精細。通過對系統工作時間和采樣頻率的實時調節，在減少海上工作能源損耗的同時，增強數據采集的科學性和實用性。

1.1 系統核心組件設計與布局

由于海洋環境復雜，海況多變，漂流浮標系統在海上工作的過程中極易受到損壞，因此，在設計漂流浮標系統的過程中，考慮系統在部分功能模塊損壞的情況下如何繼續工作是極其有必要的。

本文基于STM32 芯片設計了一套雙處理器雙通信系統。整個系統分為主控制板、故障協處理板和功能擴展板3 個部分。主控制板主要功能包括：系統故障檢測及應急處理，系統工作模式管理，對浮球外部水溫、氣壓、波高、波周期等海洋要素的采集和存儲，電池電量監測，系統在線調試，采集數據解算等。故障協處理板主要功能包括：主處理器故障檢測及應急處理、多元適配性接口等。功能擴展板主要功能包括：浮球內溫度氣壓監測、數據存儲、外部定時和浮球運動狀態監測等。系統總體設計如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

主控制板包含通信定位模塊，電量監測模塊，電源管理模塊，浮球外水溫、氣壓、波浪數據采集傳感器，SD 卡存儲模塊，主處理器模塊。相比于主控制板，故障協處理板總面積更小，也更為簡單。故障協處理板上無電源，由主控制板上所引出的電源總線進行供電。主控制板與故障協處理板通過所預留的通信定位模塊-故障協處理器、主處理器-故障協處理器、必要傳感器-故障協處理3 個串口相連接。同時，由于海洋裝備種類多樣，為了增加系統的可擴展性，實現其他各類載荷的即插即用，故障協處理板上設計了海洋常用裝備的各類接口，包括RS-485、RS-232、CAN（Controller Area Network）等。同時，將故障協處理器上未使用的SPI（Serial Peripheral Interface）、IIC（Inter-Integrated Circuit）總線引出，與功能擴展板相連接，進一步實現系統多樣化載荷的功能。功能擴展板上包含存儲芯片W25Q128、運動處理組件MPU6050、DS1339B外部定時時鐘、溫度采集SHT21、氣壓采集MS5611 等模塊。其中，溫度與氣壓采集模塊必定與故障協處理器相連接，用于采集浮球內部的溫度、氣壓，而其他模塊則是根據實際使用需要進行連接。

漂流浮標系統控制模塊和通信定位模塊是其重要組成部分，控制模塊主要作用是對系統內部的各類資源進行調配和管理。通信定位模塊的主要作用則是實現漂流浮標與岸站的數據和指令交互，并獲取浮標的即時定位信息[9]，通信示意圖如圖2 所示。本文所使用的通信定位模塊選取的是江蘇星宇芯聯電子科技有限公司的GNM2A1 北斗模塊和美國銥星公司開發的銥星9602 模塊。由于漂流浮標系統主要應用地區為亞太地區，因此首選北斗模塊作為通信定位模塊。北斗模塊在亞太地區的衛星信號較好、安全性較高、性能也較為優異，但由于北斗衛星在除亞太地區以外的地方信號強度不如銥星，因此，本文還選取了銥星模塊作為備用通信定位模塊。銥星的優點在于能夠實現數據實時傳輸、傳輸速率較快、體積小、質量輕。但考慮到我國海域部分數據的安全性，故僅選取銥星通信方式作為衛星通信的備選方案。

圖2 衛星通信示意圖

系統核心組件確定完畢以后，為了漂流浮標系統的穩定性，需調整浮球內部各組件的整體布局。浮標標體由ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）塑料構成，直徑為0.36 m，所有器件圍繞浮球中心分布，圖3 為控制系統及其搭載的各類載荷分布情況。

圖3 系統總體布局結構圖

由于浮標標體和電池遠超其他部分重量，且各模塊圍繞Z 軸對稱分布，因此，浮標的重心位于Z軸上，XG=0、YG=0，則重心位置的計算公式如下。

式中，n 為所有部件的總數量；Mi為各部件重量；Zi為各零部件重心在Z 軸上的相對位置。計算可得整個浮球的重量為13.21 kg，重心位置為Z 軸-0.06 m 處。

1.2 系統電源管理模塊設計

系統以總容量1500 Wh、供電電壓12 V 的鋰電池作為總供電電源。為了滿足漂流浮標系統日常使用的需要，還需選取合適的電源芯片對電源電壓進行轉換[10]。在本文的設計中，所選取的電源芯片為MP2359，其優點在于極低的工作電流和極其穩定的電壓輸出。

為了對系統電源進行更為精細的管理，將MP2359 電源芯片、 DMP3036SSS 場效應管、DTC143ZETL 數字三極管相結合，設計多路電源供電管理電路。通過調整電壓轉化電路的電阻和電容大小，得到不同的電壓輸出，整個系統共分為4 路供電[11-12]。第一組由12 V 電壓源轉換為3.3 V 電壓源，為主控模塊供電，處于常開狀態，該組電壓源也是一直保持工作狀態的電壓源。因為主控模塊控制著其他3 塊電源芯片的使能引腳電平狀態，可根據實際情況，調整其他各組電壓源供電。由于北斗模塊發射瞬間電流較大，第二組由12 V 電壓源轉5 V電壓源，將單獨為北斗模塊供電，當北斗模塊使用結束以后，該組MP2359 電源芯片立刻進入關閉模式。第三組和第四組電源轉換電路分別將12 V 電壓源轉為3.3 V 電壓源和5 V 電壓源，保證其他各類載荷的供電。同時為了對各載荷進行更進一步的管理，本文將P（Positive） 溝道場效應管和NPN（Negative Positive Negative）三極管相結合，設計開關電路，更為精細地控制各載荷工作狀態。圖4 為電源管理示意圖。

圖4 電源管理示意圖

主控模塊的電源管理與一般載荷不同，是通過微處理器自身工作模式的切換實現的。STM32 系列芯片含有待機模式、睡眠模式、停止模式3 種低功耗模式，不同模式下系統功耗有著極大的不同。微處理器正常運行時功耗最高，為93 mA，睡眠模式和停止模式次之，功耗分別為53 mA 和0.31 mA。相比于其他運行模式，待機模式功耗最低，為2.2 uA，因此，選取待機模式作為系統休眠模式。

1.3 系統自檢和采樣控制模塊設計

通過對電源模塊的管理，初步實現了系統低功耗功能。為了進一步降低系統功耗，提升系統的可靠性，本系統設計了電池電量監測、浮球內部環境監測、傳感器功能自檢。

電量監測模塊核心為LTC2944 電量監測芯片，LTC2944 芯片通過對流經采樣電阻的電流進行積分，可得到當前系統所消耗的電量，同時能夠測量電池的電壓及系統總電流，將所測量的數據存儲在芯片內部的寄存器中。主控模塊讀取芯片寄存器內所存儲的數據，可知當前系統所消耗的電量，用電池總電量減去所消耗的電量，得到電池剩余電量。當電池剩余電量不足一半時，系統休眠時間翻倍，工作時間間隔由2 h 切換為4 h。

浮球內部環境監測模塊由MS5611 氣壓傳感器芯片和SHT21 溫濕度傳感器芯片構成，可實時監測當前浮球內部氣壓和溫度情況。當浮球內部溫度或氣壓數據超過電子元件正常工作閾值時，即對整個系統進行斷電處理。

系統功能自檢包含對數據狀態及系統工作狀態的審核。數據狀態審核主要包括審查是否有數據發生極不正常突變、采集到的相鄰兩組數據之間的間隔是否符合所設定的數據采集間隔。系統工作狀態審核包括對數據采集模塊、主控模塊、通信定位模塊、漂流浮標內部溫度氣壓狀態、電池剩余電量進行檢查。若系統出現故障，則生成相應的錯誤報告，并傳輸給岸站。表1 是對系統生成的錯誤報告所進行的匯總。

表1 系統錯誤報告

若系統各模塊工作狀態正常，此時系統則可以正常進行多信道數據采集任務。系統目前所搭載外設載荷主要包括中國海洋大學自研波浪傳感器、水溫探頭、氣壓傳感器。常規狀態下，系統每兩小時執行一輪多信道數據采集任務，并將相應數據存儲到SD 卡與數據緩沖區。系統對所采集的數據進行分析，當相鄰兩組觀測數據值出現明顯變化或數據采集值與模型預測值具有較大差異時，說明遇見了較為明顯的天氣過程，此時系統多信道數據采集任務的執行頻率修改為每小時一次。

1.4 遠程控制設計

在漂流浮標海上觀測過程中，與岸站工作人員的信息交互也是極其有必要的。因為并不是在任何情況下，系統都得自行解決所出現的故障。為了提高系統海上工作的可靠性，通信終端和其他各類載荷除了接收來自微處理器的控制命令以外，還增設了大量遠程控制指令。圖5 是系統目前擁有的各類遠程控制指令。

圖5 岸站命令匯總

這些指令控制系統執行不同的工作。當系統處于某項命令的工作周期內時，卻又接收到了新的控制指令，此時系統需要對是否停止當前所執行的工作指令而進行判斷。基于此，本系統建立了遠程控制指令設立指令優先級機制，以調節不同指令之間的沖突。表2 為本文所設立的各指令優先級。

表2 指令優先級

2 低功耗切換算法

相較于傳統漂流浮標，由于本系統具有雙處理器雙通信系統，其功耗要略高于單系統漂流浮標，而系統的功耗是漂流浮標控制系統設計過程中需要考慮到的重要原則之一。基于此，本文設計了一套低功耗切換算法，在切換雙處理器雙通信的基礎上，通過電池電量、遠程控制指令，以及所采集數據的差異性，切換系統采樣頻率和工作時間。該算法使得系統能夠更為有效地執行工作任務，并科學合理地降低系統功耗。圖6 為系統工作流程圖。

圖6 系統工作流程圖

2.1 主協處理器切換

本文所設計的漂流浮標系統內的各類資源由兩塊STM32 芯片進行交互調配，當到上電指令到來前，兩芯片皆處于休眠狀態。

上電指令到來以后，開始進行第1 次主協處理器檢測切換。主處理器和故障協處理器同時打開，主處理器開始向故障協處理器冗余發送6 次識別碼“OK”。

若主處理器所發送的6 次識別碼故障協處理器均未接收到，則故障協處理器判斷主處理器出現故障，此時故障協處理器對主處理器進行最多6 次復位。每輪復位結束后，故障協處理器都將向主處理器發送詢問指令“YE”。若主處理器恢復正常，故障協處理器將會接收到主處理器的響應識別碼“YW”。如果故障協處理器依然無接收數據，則判斷主處理器已損壞。此時，故障協處理器將主處理器狀態標志位置為1，生成相應的錯誤報告，故障協處理器開始接管主處理器的主要工作。

若故障協處理接收到響應識別碼，則說明主處理器已恢復正常。故障協處理器開始對其自身是否接收到其他載荷數據進行判斷。當故障協處理器未接收其他載荷數據時，故障協處理器關閉，反之故障協處理器打開，和主處理器開始一同等待接收傳感器數據，待數據接收傳輸完成后再關閉故障協處理器。圖7 為主協處理器切換流程。

圖7 主協控制器切換流程

2.2 遠程控制指令與電池電量檢測切換

根據第一次主協處理器切換對系統處理器狀態檢測結果，選取合適的處理器讀取RTC 時鐘信息，判斷當前時間段是否屬于遠程控制指令等待時間。若屬于，則系統將進入待命狀態，系統不執行其他工作，只等待岸站工作人員指令。在眾多遠程控制指令中，最為重要的是系統復位指令和溫度氣壓預測結果指令。當系統接收到復位指令，且主處理器狀態位為1（損壞狀態）時，系統將額外執行一次多信道數據采集循環，以檢驗在復位的過程中，主處理器是否恢復正常工作。當系統接收到溫度氣壓預測結果指令后，將指令內部所包含的溫度氣壓預測值存儲到SD 卡中，便于后期傳感器采樣頻率切換調用。圖8 為遠程控制及電量監測切換流程。

圖8 遠程控制及電量監測切換流程

當微處理器讀取RTC 時間不為遠程控制指令等待時間，則微處理器開始讀取電量監測模塊內部寄存器存儲值，得出當前電池所消耗的電量，用電池總電量減去電池所消耗電量，則可得到電池所剩余電量。當電池剩余電量大于等于50%時，系統正常工作，每兩小時工作一次。當電池剩余電量小于50%時，系統每四小時工作一次。確定系統工作時間間隔后，進行第二次處理器狀態檢測切換，切換執行過程同第一次切換。

2.3 混沌時間序列預測氣壓溫度理論

由于本文涉及各載荷采樣頻率切換，且溫度氣壓變化的實質是屬于混沌現象的一種，因此可使用混沌時間序列對氣壓溫度值進行一個初步預測，為傳感器采樣頻率切換提供理論基礎[13]。

混沌現象指發生在確定性系統中的貌似隨機的不規則運動，它是由一個確定性理論描述的系統，其行為卻表現為不確定性[14]。雖然混沌現象看起來是無規律的，但在長期時間序列下，混沌系統內部元素之間也可能存在某種有序的關系。因此，未來短期混沌系統行為是可預測的。

根據TAKENS F[15]在1981年提出的嵌入定理：我們可以從一維混沌時間序列中重構一個與原動力系統在拓撲意義下相同的相空間，混沌時間序列的判定、分析和預測都是在這個重構的相空間中進行的，因此相空間的重構就是混沌時間序列研究的關鍵。

相空間重構的核心是系統延遲時間τ 和相空間嵌入維數m 的確定。在本系統中，分別使用互信息量法和G-P 算法（Grassberger-Procaccia Algorithm）來確定系統延遲時間及嵌入維數。

以2014年1 月1 日至數據采集前一天同一時刻的溫度氣壓為初始樣本，建立一個長度為N 的時間序列X={xi}（i=1，2，3，…，N），以及其延遲序列Y={xj}={xi+τ}（i=1，2，3，…，N-τ），從SHANNON C E[16]的信息熵理論中可推導出式（2）。

式中，P（xi，xj）為xi和xj的聯合概率分布；P（xi）、P（xj）分別是X、Y 事件中xi、xj的概率；I（τ）為互信息量。通過上式畫出τ-I（τ）的曲線，觀察曲線，將I（τ）第一次極小值的時所對應的τ 值作為最佳的延遲時間。

在選定時間延遲以后，需利用G-P 算法，計算合理的嵌入維數m 的值，G-P 算法的流程如下。

開始先給出一個較小的m 值，對應一個重構的相空間，重構后的相空間如下。

隨后計算關聯函數如下。

式中，Z（ta）- Z（tb）表示兩相點之間的距離；C（r）是一個累積分布函數，表示相空間中上兩相點之間的距離小于r 的概率。

在r 的某個適當范圍，關聯維數d（m）應該滿足對數線性關系。

d（m）=ln C（r）/ln r（6）

逐步增大嵌入維數，建立在不同嵌入維數的條件下的ln r-ln C（r）的關系圖并求出關聯維數。最后建立d（m）-m 關系圖，尋找使得關聯維數趨向于穩定值的嵌入維數作為重構相空間的嵌入維數m。

確定嵌入維數及延遲時間后，采用加權零階局域法進行未來三天的氣溫氣壓預測。

選取相空間中的最后一個點Zk作為預測中心點，找到預測中心點鄰域，計算Zk鄰域中各點到Zk的距離li，找到其中的最小lm，計算在預測過程中鄰域中各點Zki所占的權值。

式中，參數a 一般取1；M 為相點總數。求出Zk鄰域中各點所占權值后，可預測Zk后的又一相點的位置如下。

從而求出xn+1的值，也就是未來的溫度氣壓值。

使用該方法所預測的溫度氣壓值，在無外界環境因素的影響下，誤差較小，對溫度預測的誤差三天內不超過1 ℃，對于氣壓預測的誤差三天內不超過150 Pa。因此岸站工作人員每間隔三天便使用該方法對海上所實時傳輸的數據進行分析與預測，并將預測結果通過遠程控制指令再次傳輸至漂流浮標中。若預測值與實際采樣值差異較大，則證明可能遇見了如暖流、寒流等較為明顯的天氣過程的干擾。由于對于這些明顯天氣過程的研究，要更具有實際應用價值，因此，此時可減少漂流浮標的工作時間間隔，采集更多的關鍵性海洋環境信息。

2.4 傳感器采樣頻率切換

以2.3 節混沌氣壓溫度預測結果作為輔助，可進行傳感器采樣頻率切換。

對系統所搭載各載荷上電后，若微處理器未接收到某載荷數據，則處理器判斷該載荷可能出現故障。為了維護系統正常功能，微處理器對該載荷多次重啟，如果依然無法讀取到該載荷數據信息，系統將生成相應的錯誤報告，并關閉其電源，以防止不必要的能量浪費。

狀態正常載荷則開始循環執行多信道數據采集任務，系統每兩小時工作一次，工作時間在3 min和12 min 之間交替切換。工作時間為3 min 時，浮球外氣壓傳感器、水溫探頭工作，采樣頻率設為每秒一次。工作時間為12 min 時，浮球外氣壓傳感器、水溫探頭保持原有工作頻率的同時啟動波浪儀。將波浪儀采樣頻率設為每秒兩次，測得最大波高、最大波周期、十分之一波高、十分之一波周期、三分之一波高、三分之一波周期、平均波高、平均波周期等數據。除此之外，每輪工作時都將打開10 s 浮球內溫度與氣壓監測模塊，采樣頻率均為每秒一次。當其采集的艙內溫度氣壓數據與電子器件正常工作所需求的溫度氣壓值差異較大時，系統將進行多次重啟，若艙內溫度氣壓數據依然異常，則整個系統關閉。

當數據采集模塊所采集的浮標外部海洋環境信息與正常采集數據或和預測溫度氣壓有著明顯區別時，可能存在3 種情況：①采集數據值發生突變；②采集數據值出現缺失；③采集數據值滿足所預設的參數對比式。出現前兩種情況時，需將相應的錯誤標志位置位，而出現第3 種情況時，則需對數據進行進一步分析處理。

系統采集浮球外環境參數的傳感器主要包括：水溫傳感器、波浪傳感器、浮球外氣壓傳感器。通過下述預設公式判斷是否切換采樣頻率和工作時間。

水溫氣壓采樣時間切換采用式（9）進行判斷，Xs+1為當前所采樣溫度氣壓波浪數據；Xs為預測溫度和上一輪溫度氣壓采樣平均數據。對所采集水溫數據進行預測溫度比較判斷和相鄰平均水溫數據比較判斷時，a 為2 ℃；對所采集氣壓數據進行預測氣壓比較判斷和相鄰氣壓平均數據比較判斷時，a為200 Pa。波浪儀采樣頻率切換則采用式（10）進行判斷，將波浪儀所采集的最大波高與預設閾值波高進行比較，b 為1.5 m。

當任意判斷條件成立時，工作時間間隔設為每小時一次。通過對傳感器采樣時間間隔的實時切換，保證所采集到的數據更具有實用性和科學性。圖9 為傳感器采樣時間切換流程。

圖9 傳感器采樣時間切換流程

2.5 通信定位模塊切換

在數據采集的同時，還需進行衛星定位傳輸相關工作。將北斗模塊電源打開，并向其發送IC 檢測命令（ICJC）和功率檢測命令（GLJC）分別檢測北斗模塊當前工作狀態和信號強度。若北斗模塊功能、信號強度反饋信息均正常，則使用北斗模塊作為通信定位模塊。相反，則使用銥星模塊作為系統的通信定位模塊。

選取合適的通信定位模塊后，系統開始獲取當前漂流浮標所在地位置信息，將位置信息、采集數據、錯誤報告打包傳輸至岸站上位機。同時，由于數據傳輸字節數有限，本文采用多包拆分的方式進行數據的傳輸，每包數據由幀頭、固定長度傳感器數據及幀尾組成。

最后，通信定位模塊斷電，主處理器進入休眠狀態，等待下一次上電指令的到來。圖10 為通信定位模塊切換流程。

圖10 通信定位模塊切換流程

3 實驗測試

3.1 功耗測試與計算

系統由12 V 電池進行供電，電池總容量為1500 Wh。系統各模塊功耗情況如表3 所示。

表3 各模塊功耗

測得實際工作的電流如圖11 所示。當電池電量大于50%時，系統正常工作。當電池電量小于50%時，系統工作時間間隔提升一倍，經過計算，系統正常工作時間的功耗計算如下。

圖11 系統工作電流測量

正常工作的天數計算如下。

電池低于50%，工作間隔提升一倍，正常工作狀態功耗近乎降低為原來一半。因此可以進行估算。

電量低于50%時，工作天數計算如下。

總工作時間計算如下。

因此，本文所設計的漂流理論上能夠在海上無人值守的情況下工作約為1361.8 d，符合系統預估海上長時序穩定工作的設計要求。

3.2 實驗驗證

系統設計完成后，于實驗室分別進行定位測試與為期三天的浮球外氣壓、溫度采樣測試，以驗證系統的可靠性與多樣化載荷功能。將電腦調試串口連接主處理器串口1，氣壓傳感器連接主處理器串口2，水溫探頭連接主處理器串口3，通信定位模塊連接主處理器串口4、串口5、串口6。所采集數據如圖12 所示，圖12（a）與圖12（c）為所采集的經緯度信息，圖12（b）為所采集氣壓信息，圖12（d）為所采集溫度信息。實驗結果表明，本文所設計的系統可實現海洋環境水溫、氣壓等信息長期穩定的采集與傳輸。

圖12 實驗室數據采集結果

在保證數據采集傳輸正常后開始驗證本文所設計的低功耗切換算法，主要實驗共有3 個。首先以溫度變化為例驗證傳感器采樣頻率切換與電池電量檢測切換。傳感器采樣頻率切換實驗是使用空調短時間內改變房間內環境溫度，來模擬較為明顯天氣變化過程，以驗證傳感器采樣時間間隔是否改變。空調打開前每兩小時進行一次數據采集，當溫度變化滿足明顯天氣過程溫度切換條件后，每小時進行一次采集。實際測試結果如圖13（a）所示。而由于本系統所使用的總電池容量較大，若將電池電量放電至總容量的50%，等待時間過長。因此考慮到實際操作的簡便性，在電池電量檢測切換實驗中，只連接溫度探頭，并降低消耗電量閾值為10 mAh。在電量消耗未達到閾值前每兩小時工作一次，達到閾值后每四小時工作一次，實驗測試結果如圖13（b）所示。

圖13 工作模式切換實驗數據記錄

通信定位模塊切換實驗與主協處理器切換實驗則是將主處理器與北斗模塊相連，故障協處理器與銥星模塊相連，并先后斷開北斗模塊與主處理器電源，模擬其損壞的狀態。隨后，故障協處理器開始使用銥星通信模塊向預設郵箱服務器發送報告郵件。圖14 為北斗與銥星通信所反饋的信息。

圖14 北斗與銥星通信數據反饋

系統實驗室測試完成后，于小麥島海域進行通信測試及波浪數據采集測試，采集結束后進行相關數據的處理與存儲，并發送采集完成事件集，觸發衛星數據傳輸任務，啟動數據的遠程傳輸。其中，波浪儀連接微處理器串口1，通信定位模塊連接串口4、串口5、串口6。系統每半小時采集一次數據，去除異變數據，圖15（a）為20 ∶00 至23 ∶00 所采集數據，圖15（b）為次日9 ∶00 至16 ∶30 所采集數據。

圖15 海上測試實驗數據記錄

4 結論

本文針對漂流浮標長時序、多參數的觀測需求，提出了基于雙處理器的低功耗漂流浮標控制系統設計，在設計過程中堅持低功耗和高可靠性的原則的同時始終兼顧系統采集參數的多樣性，可減少目前我國海洋觀測領域數據采集區域碎片化、信息系統單一化、數據延滯化等制約[17]，加強對全球及國內核心海區海洋環境數據即時、多要素的整體同步獲取能力，縮小與國際海洋強國的差距。

本文目前所設計系統在能源供應方面仍有不足，下一步計劃增設太陽能、風能、波浪能等輔助供電方式，延長系統海上工作時間，進一步提升漂流浮標海上數據獲取能力。