摘 要： 針對浮標技術在海洋環境監測中的應用，研究并改進了現有的浮標系統，設計并實現了自升降式浮標控制系統，以獲取水下不同深度的環境數據，具有很好的安全性和隱蔽性。系統以MSP430處理器為核心，以Si4432為無線收發模塊，結合溫濕度、光照、加速度、傾角、CTD、溶解氧傳感器和SD卡，實現了對海洋數據的采集、存儲和傳輸。經測試，能可靠地將數據傳輸至岸基模塊，滿足了設計要求。
關鍵詞： 自升降式浮標；MSP430；Si4432；數據采集
以自升降式浮標系統為載體的海洋數據傳感采集與傳輸系統可以實現海平面以下不同深度水環境監測數據的獲取和更新。國外在上世紀80年代研制出了一種將潛標和錨泊浮標相結合的系統，由于該系統既能采集海洋定點數據，又能實時回傳數據，因此得到了廣泛使用。國內潛標技術緊隨國際潮流，提出了具備緊繃式錨泊潛標系統架構的自治式海洋監測潛標，但該系統仍處于研制階段，未投入實際使用。本文提出將潛標和浮標合二為一的錨泊自升降海洋潛標系統，可以為海洋環境監測提供充分的數據材料，同時對海洋環境保護和海洋資源開發有深遠意義，應用前景寬廣[1]。自升降傳動裝置及其控制系統是本次研究中的一項核心關鍵技術和創新點。Si4432模塊采用的是半雙工的通信方式，其中通信的可靠性和沖突處理為本研究的技術難點。
1 系統工作原理
自升降式浮標數據采集與傳輸系統的整體結構如圖1所示，主要包含傳感器組、岸基模塊、中繼模塊、浮標模塊、潛標模塊、無線收發模塊和上位機監測平臺。
本系統主要由數據采集傳輸板、傳感器組和用戶遠程監控終端組成。其中數據采集傳輸板包括岸基系統、中繼系統、浮標系統和潛標系統。岸基系統和浮標系統與中繼系統的通信是通過Si4432[2]無線收發模塊實現的。浮標系統與潛標系統在海底的通信是以電纜及導電滑環為介質，按照RS485協議進行通信的。系統結構框圖如圖2所示。
系統設計要求指標如下：
(1)無線通信可靠傳輸距離：1 000 m；
(2)數據包傳輸誤碼率低于0.1%；
(3)浮標板下潛深度：5 m～20 m；
(4)潛標板下潛深度：20 m～100 m。
海洋環境采集與傳輸系統的工作原理：浮標發送浮標下降命令給潛標，潛標控制絞盤電機拉動浮標作垂直向下運動。當浮標被拉到海面以下時，浮標就開始采集海洋環境參數，同時將采集到的數據寫入SD卡中。電機拉動浮標向下運動到一定深度后，電機向相反方向運動，浮標開始上浮。當浮標被再次釋放到海面上時，浮標板停止采集，然后將采集到的海洋環境參數結合當前時間打包為一幀數據后發送給中繼模塊。中繼模塊直接與岸基模塊進行通信，中繼模塊將接收到的浮標數據結合自身傳感器采集到的數據打包為一幀數據后發送到岸基模塊，通過上位機監控軟件實時顯示當前各項傳感器測得的海洋環境參數。同時，可以通過上位機向中繼模塊發送回收浮標的命令，浮標將對應命令轉發給潛標，對應步進電機執行釋放動作，完成釋放任務。
上述傳感器組集中在中繼模塊和浮標模塊，中繼模塊的傳感器組包括加速度傳感器MMA7361、傾角傳感器SCA60C、溫度傳感器DS18B20、溫濕度傳感器SHT11和光照傳感器BH1750；浮標模塊的傳感器組包括CTD[3]傳感器和DO溶解氧傳感器。為了記錄采集數據的時間，浮標模塊帶有實時時鐘芯片DS1302。同時，為了能實現水下采集數據的大容量存儲，通過FAT文件系統可以很方便地實現對SD卡的數據寫入和讀出。
2 系統硬件
Si4432的工作頻段為433 MHz，最大輸出功率可以達到+20 dBm，外圍可加入功率放大電路，以提高發送功率。Si4432主要有關閉模式、掛機模式、發射模式和接收模式。關閉狀態下可以降低功耗，各模式間的切換必須先進入掛起狀態。本設計中，Si4432模塊在發送或者接收完數據后立即切換到關閉模式，從而可以降低系統工作功耗。Si4432數據傳輸方式主要有FIFO模式、直接模式和PN9模式3種。本設計中Si4432工作在FIFO模式下，使用片內的先入先出堆棧區來發送和接收數據。此狀態下，Si4432自動退出發送或者接收狀態，當相關的中斷信號產生時，自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數據時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發送數據時，自動加上字頭和CRC校驗碼。Si4432的通信距離可以達到1 km，可以達到本設計的指標要求。總之，Si4432具有低功耗特性，并且數據傳輸有效距離可以達到1 km，從數據傳輸有效距離和功耗上來考慮，Si4432可以實現海洋環境下的數據可靠傳輸，因此本文采用Si4432來實現數據傳輸。
本設計的創新點在于低功耗升降式浮標的設計，浮標升降的實現是通過潛標控制電機的正反轉來實現的。浮標與潛標的通信以RS485為接口，以電纜為傳輸途徑實現。由于電纜是盤繞在電機上的，利用導電滑環可以實現浮標與潛標間信號的穩定可靠傳輸。水下電機采用12 V直流無刷電機，減速比為153:1，最大拉力1 500磅，在無負載情況下電流4.5 A左右，在最大拉力下電流能高達27 A，所以在浮標上要加上配重裝置以平衡浮力，減小拉力。驅動采用BTN7960芯片為主的模塊，驅動電壓范圍為6 V～24 V，最大驅動電流約為40 A。
本系統中微處理器選用TI公司16 bit單片機MSP430F149。這款單片機特點之一是它的低功耗，同時還可以很方便地在5種低功耗模式下進行切換。MSP430F149內部具有兩個USART收發控制器，12 bit A/D轉換器，以及豐富的定時器資源；片上集成2 KB RAM和60 KB Flash Memory，完全能滿足本系統設計的資源要求[4]。
加速度和傾角傳感器輸出的模擬電壓信號，可以通過430單片機內部12 bit A/D轉換器獲得；溫度傳感器采用單總線的通信方式，可以通過430單片機I/O訪問；濕度傳感器[5]和光強度傳感器采用I2C協議進行訪問；CTD傳感器和DO溶解氧傳感器通過串口進行訪問。
3 系統軟件設計
本系統軟件設計包括3大部分：中繼板傳感器組數據采集和傳輸程序，浮標板傳感器組數據采集和傳輸程序以及潛標板控制程序，本設計程序均在IAR下編譯、調試。
3.1 中繼板數據采集及傳輸程序設計
中繼板程序設計可以分為以下5個步驟：
(1)系統初始化
上電后，對系統時鐘、I/O口、UART、A/D以及傳感器接口初始化配置。
(2)Si4432模塊參數配置
通過單片機配置Si4432模塊的工作模式、收發波特率、本機地址、目的地址以及發射功率等級等參數。中繼板參數配置：工作模式為收發工作模式，波特率2 400 b/s，本機地址為0x60，目的地址為0x59，發射功率等級為7。
(3)中繼板接收浮標板數據包
Si4432接收中斷程序4432_RX判斷是否接收到浮標板發送數據的請求，如果接收到發送請求，則中繼板進入接收數據的狀態，并且一直等接收到完整的數據幀后才使能發送功能。使能發送后，中繼板可以將完整的數據幀發送給岸基板。
(4)數據幀整合和發送
中繼板使能發送數據后，發送程序開始將數據裝成完整的64 B數據幀格式，然后通過Si4432模塊發送64 B的數據到岸基模塊，發完為止。
(5)中繼板傳感器采集數據并更新緩沖區
中繼板在沒有請求發送和請求接收數據的情況下，溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、傾角傳感器和加速度傳感器開始工作并不斷獲取當前傳感器數據，以及時更新緩沖區。中繼板程序流程圖如圖3所示。
3.2 浮標板數據采集及傳輸程序設計
浮標板程序設計可以分為以下4個步驟：
(1)系統初始化
上電后，對系統時鐘、I/O口、UART、A/D、傳感器接口、DS1302以及FAT文件系統初始化配置。
(2)Si4432模塊參數配置
通過單片機配置Si4432模塊的工作模式、收發波特率、本機地址、目的地址以及發射功率等級等參數。中繼板參數配置：工作模式為收發工作模式，波特率為2 400 b/s，本機地址為0x61，目的地址為0x60，發射功率等級為7。
(3)浮標板發送控制命令到潛標板
浮標板與潛標板通信是在電纜上以RS485協議為基礎進行通信，通過時間片切換的方法依次發送如下命令給潛標板：電機下降命令0x01，上傳電池剩余電量命令0x03，釋放潛標系統命令0x02。每發送一個命令后，要等到相應的動作執行完畢后才能執行下一條命令。
(4)浮標板發送數據幀到中繼板
浮標板在接收到發送數據請求時，將傳感器數據和時間一起從SD卡中讀出，準備待發送的數據，將數據打包成完整的64 B數據幀格式，通過Si4432模塊發送到中繼板，發完為止。
(5)傳感器組開始工作并更新緩沖區
在浮標板發送電機下降命令，浮標下降到海面以下后，CTD傳感器和DO溶解氧傳感器開始工作，并將傳感器數據和當前時間以FAT文件系統形式存放到SD卡中，直到浮標再次浮到海面上為止。浮標板程序流程圖如圖4所示。
3.3 潛標板程序設計
潛標板程序設計可以分為以下2個步驟：
(1)系統初始化
上電后，對系統時鐘、I/O口、UART、A/D進行初始化配置。
(2)潛標板接收浮標板命令，進行解析并執行
潛標板接收浮標板發送的命令：浮標系統釋放命令0x02，電機下降命令0x01以及上傳電量命令0x03。潛標板接收到系統釋放命令后，驅動步進電機執行釋放命令；潛標板接收到電機下降命令后，驅動直流電機先做向下運動，過一段時間后再做向上運動，將浮標板送至海面上；潛標板接收到電量上傳命令后，將電量信號上傳到浮標板。潛標板程序流程圖如圖5所示。
4 系統調試
在實驗室環境下，通過Si4432無線收發模塊建立岸基模塊、中繼模塊、浮標模塊之間的通信；浮標模塊與潛標模塊之間通過RS485總線電纜連接。
外圍的傳感器組掛接到單片機系統中，然后設定岸基模塊的本地地址為0x59，中繼模塊的本地地址為0x60，浮標模塊的本地地址為0x61，打開電源，讓系統開始工作。接著以64 B為一個數據包，連續發送1 000個數據包，以不同距離和不同發送波特率完成數據傳輸誤碼率的測試，得出結果如表1所示。
由表1中測試結果可知，在傳輸距離為1 000 m以內，數據傳輸速率低于9 600 b/s的條件下，數據傳輸誤碼率基本為零，所以本系統基本上符合設計要求。
在實驗室模擬調試的基礎上，在戶外也進行了進一步的測試，選擇測試點為海洋二所。將中繼板、浮標板和潛標板放入水中，基站板連接上位機軟件，對系統實行為期一周的實地測試。結果表明，系統工作正常，達到預期的測試結果。
本文利用升降式浮標設計和實現了一種海洋數據采集與傳輸系統。該系統在設計時還保留了一些傳感器接口，為以后改進、升級系統做準備。同時由于浮標系統在海水中受到浮力作用，為保證浮標系統可靠的上升和下降，配備了一個重物掛在浮標系統上，已減去浮標系統的浮力，從而減輕了直流電機的負擔，節省電量，進而提高了水下系統持續工作時間。本系統很好地滿足了海洋數據實時傳輸要求，達到了預期的目標。
參考文獻
[1] 姚泊.海洋環境概論[M].北京：化學工業出版社，2007.
[2] 郭亮.基于Si4432的無線射頻收發系統的設計[J].新器件新技術，2009，11(1)：38-41.
[3] 孫貴新，史峰.SBE25 CTD剖面儀以及使用方法[J].氣象水文海洋儀器，2010，3(3)：18-20.
[4] 張福才.MSP430單片機自學筆記[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.
[5] Sensirion公司.SHT1x datasheet[Z].2008.