天然氣水合物海底環境效應長期監測低功耗控制系統嵌入式設計

盛 堰 ，王兆山 ，馮久超 ，呂善翔，伍忠良

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510075；2.華南理工大學電子與信息學院，廣東 廣州 510641)

天然氣水合物被普遍認為將是21世紀最具潛力的接替煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源之一，同時也是目前尚未開發的儲量巨大的一種新能源。2007年我國在南海成功鉆獲天然氣水合物實物樣品，標志著我國開始進入了天然氣水合物大規模勘探和開采階段，天然氣水合物環境效應研究是目前世界各國在鉆探開采前必須根據其分布區域和成藏特點開展的重要研究內容。海底天然氣水合物分布區的海水水體、氣體信息中蘊含了水合物要素信息，其數據變化反映了水合物形成環境變化要素。對水合物海底環境要素不同時空尺度的狀況及其變化趨勢進行長期監測，并采集、傳輸、處理、分析海底天然氣水合物環境要素的信息數據,開展海底天然氣水合物環境效應研究，對勘探和開采服務具有重要意義[1]。

傳統的研究方法有直接觀測和取樣分析兩種。直接觀測就是通過載人潛水器或水下機器人對水合物成藏區的海底沉積物、生物等進行現場觀測，這種方法的成本和危險性都比較高，而且只能進行短時間的探測。取樣分析法中，是對海底沉積物和生物進行取樣，然后對樣品進行分析和測試，由于從取樣到進入儀器進行實驗分析需要比較長的周期，分析的出數據不再具有實時性，而且在取樣后很難保證樣品原有的壓力、溫度等條件，分析結果會有一定的失真，部分成分脫離了深海環境，其測量甚至失去了原有的意義[2-4]。水合物海底環境長期監測技術可以很好地解決這些難題，它通過水下控制系統將多個水合物參量的物理和化學傳感器集成在一起，對海底水合物成藏區海底邊界的參數進行周期性采樣和存儲，可通過水聲通信技術傳輸和系統回收后下載原位數據的方式對水合物環境數據進行提取，為水合物環境效應提供海底原位數據，是一種很好的研究方法。

天然氣水合物海底環境效應長期監測系統涉及多層面的關鍵技術，水下控制系統的設計和多傳感器集成是其中之一。本文從實用角度出發，設計了一種應用于水合物海底環境效應長期監測裝置的嵌入式控制系統，它能夠將多個水合物環境參量傳感器進行集成，并根據監測頻率進行周期性供電，具有良好的可擴展性和低功耗性能。

1 天然氣水合物海底環境效應長期監測系統概述

天然氣水合物海底環境長期監測系統主要包括：甲板測控單元，通信單元，海底長期采集錨泊單元等3部分[1]。海底長期采集錨泊單元的投放與回收使用聲學釋放器進行，裝置與甲板系統之間的通信通過水聲通訊Modem進行。海底長期采集錨泊單元通過中央控制系統將多個水合物環境參量物理和化學傳感器、監測儀器、水聲通訊Modem、聲學釋放器等集成在一起，經過專用支架安裝后投入海底，形成對海底多個水合物環境要素不同時空尺度的狀況及其變化趨勢進行全方位的立體探測的能力，并采集、傳輸、處理、分析這些環境要素的信息數據，揭示海底水合物相關環境的變化規律，為海底水合物的環境效應研究和試采提供原位資料[1,3]。整體結構如圖1所示。

圖1 天然氣水合物海底環境效應長期監測裝置整體框圖

天然氣水合物海底環境效應長期監測系統固定安裝的多參量傳感器包括：甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）、溫鹽深（CTD）、溶解氧（DO）、海流等，并提供擴展接口，可選擇性安其他參量傳感器。

為了方便系統集成、降低電路復雜度、提高測量精度，選擇具有數字化輸出的智能傳感器和監測儀器，它們往往是高精度探頭和微處理器的結合體，具有RS-232/485等標準接口，通過接口轉換單元實現與控制系統的連接。傳感器和監測儀器可根據具體測量參量進行選擇和擴展。

2 天然氣水合物海底環境效應長期監測水下低功耗控制系統嵌入式設計

水下控制系統是天然氣水合物海底環境效應長期監測裝置中水下部分的主控單元，它負責對各傳感器和監測儀器的驅動、控制，對監測數據的接收、封裝、格式化存儲以及與甲板系統的通訊等。下面將從硬件、軟件、低功耗處理三個方面詳細闡述控制系統的設計過程。

2.1 水下低功耗控制系統的硬件設計

水下控制系統需要完成復雜的數據處理和控制任務，包括：低功耗處理、接口轉換、環境監測儀器和傳感器數據采集、電源及聲學釋放器等部分組成。系統使用耐高壓、耐腐蝕的殼體封裝，駐留海底長期工作，受殼體容積和電源電量的限制，因此控制系統的硬件設計需要遵循小體積、低功耗的原則。本設計中，以S3C6410A為主處理器，在其核心板的基礎上增加適當的外圍電路和接口電路構成系統底板。

S3C6410A是三星公司的一款嵌入式微處理器，該處理器基于ARM1176JZF-S內核，主頻達553 MHz，內置豐富的硬件外設，包括4個UART異步串行口、2個SPI同步串行口、USB接口、4通道定時器、一個8位ITU 601/656相機接口，多標準視頻編碼解碼器、32 GB高速SD卡支持等。在核心板上集成256 MBDDR內存和2 GBNand Flash存儲器，并通過排針將上述接口引出，方便后續開發。核心板和底板的硬件結構圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構圖

具體設計如下：

將4路TTL電平串口通過SP3232芯片轉換為RS-232串口，用于水聲通訊Modem、甲烷、二氧化碳、硫化氫傳感器的連接；將1路USB主設備接口(USB Host)通過AU9254芯片擴展為4個，用于溫鹽深、海流、溶解氧等的連接；通過USB轉RS-232/422/485芯片繼續擴展串口[7]，從而支持更多的傳感器和監測儀器；

將1路USB從設備接口(USB Slave)引出為mini USB接口，供與電腦主機連接，用于程序下載和設備上岸后讀取數據；

將處理器的一些通用IO口(GPIO)引出，用于對模數轉換等芯片的支持；

給SDIO接口安裝插槽，支持讀寫大容量SD卡，存儲海底長期監測數據。

由于USB接口是可以通過集線器繼續擴展的，而所采用的S3C6410A處理器還具有相機接口和多標準視頻編解碼器，因此該系統具有良好的擴散性，可以不斷增加新的傳感器甚至紅外海底攝像頭。

2.2 水下低功耗控制系統的軟件設計

水下控制系統的控制軟件需要實現多個水合物海底環境監測傳感器數據采集，甲板監控數據包，驗證數據包格式,數據存儲，電源檢測、工作模式控制和數據傳送等功能。

水下控制軟件設計的操作系統采用微軟公司winCE6.0嵌入式操作系統，開發平臺為Visual Studio 2005和Platform Builder for Windows Embedded CE6.0，在該平臺上，首先進行系統定制、底層驅動開發等工作，精簡操作系統，保留必需的基本功能；然后開發基于winCE6.0環境的應用程序，作為控制系統的主程序，負責控制整個水下部分的運行和與甲板的通訊。

控制應用程序的開發使用面向對象的C++語言。對串口的操作比較多，因此將其單獨封裝為一個類，包括打開串口、發送數據、創建接收線程、關閉串口等方法和事件。串口1連接水聲通訊Modem，用于和甲板系統的通訊，其余串口連接各監測傳感器模塊及應用擴展。

系統上電時，應用程序自動啟動。程序首先判斷是否有甲板系統的命令到來，如果有，就進入通訊模式，接收并解析、執行甲板系統的命令；如果沒有，就進入環境監測模式，依次打開各傳感器、監測儀器并初始化，發送測量命令，接收、處理測量結果，然后獲取系統日期和時間數據，將各項數據按特定格式封裝，在SD中進行格式化存儲。控制系統程序流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統程序流程圖

2.3 低功耗處理技術

水下控制系統和它所連接的傳感器、監測儀器在海底運行，使用電池供電，能量是有限的，當電池電量低于設定值時，就需要使用聲學釋放器將設備回收。為確保長時間可靠監測、降低監測成本，一方面，使用能量比較高、可重復充放電的鋰電池[8]，系統搭載多個電池包，系統實現中自動電池包更換，另一方面，在系統設計時進行必要的節能和低功耗處理，包括使用功耗較低的芯片、根據系統工作特征進行間歇性供電等。

常見的一種低功耗處理方法是在不需要監測的時段，使系統自動進入休眠狀態，當定時時間到，再將系統喚醒[9]。但對于運行有操作系統的設備來說，待機時的功耗也不低。因此本設計中使用了另外一種低功耗方案，即在控制系統中，設計單獨的供電模塊，負責水下部分的能量供應。

使用大功率鋰電池組、單片機、繼電器等開發了供電模塊，圖4給出了供電模塊原理圖。電源線經過繼電器再到達控制系統的底板和各傳感器模塊、監測儀器。單片機程序通過定時器控制繼電器的開閉情況，從而控制電源的通斷。監測時的通電時間根據數據采集所需時間而定，其余時間內，控制系統和各傳感器模塊、監測儀器都處于斷電狀態。

圖4 供電模塊的電路原理圖

3 功耗分析與測試

設水合物海底環境效應長期監測周期為T，休眠狀態下喚醒系統并完成一次監測所需時間為ta，斷電狀態下啟動系統并完成一次監測所需時間為tb，控制系統和傳感器、監測儀器工作時電流為I1,休眠時電流為I2,供電模塊導通時工作電流為I3，斷開時電流為I4，電池供電電壓為U，則兩種低功耗方案平均功率分別為：

式中：Pa為采用休眠方案的平均功率；Pb為采用獨立供電模塊的平均功率；η 為二者的比值。供電模塊斷開時的工作電流比系統休眠時的電流小很多，因此第二種方案在降低功耗方面的作用將更為明顯。

水下低功耗嵌入式設計在實驗室環境下進行了系統運行實驗和功耗性能對比測試。具體測試方案如下：

使用不銹鋼封裝的DS18B20數字溫度傳感器和STC89C52單片機最小系統板制作一款液體溫度測量模塊[10]，相當于一個測溫儀，當串口有測量命令到達時，即啟動一次測量，并返回數字化的測量結果。通過RS-232串口線將溫度測量模塊與控制系統連接，在程序中增加對該溫度測量模塊的支持。使用數控直流電源直接給控制系統和溫度測量模塊供電，電壓U 調為5.00 V，測量工作和休眠時的電流I1，I2以及兩種低功耗方案完成溫度測量所需時間為ta，tb；使用數控直流電源直接給供電模塊的電路供電，電壓U 為5.00 V，測量供電模塊導通和斷開時的工作電流I3，I4；設監測周期T為1 h，根據式(1)～式(3)分別計算兩種方案的平均功率和比值。為供電模塊配備5 V電池，給控制系統和溫度測量模塊供電，監測周期T 設置為1 h，每次監測供電時間設置為60 s，進行長時間溫度測量，觀察控制系統運行情況。功耗測試結果見表1。

表1 測試結果

由表1中的結果可見，使用獨立的供電模塊時，平均功耗為78.2 mW,是使用工作-休眠模式的37.4%，反映出這種低功耗方案的相對優越性。預計在增加數個傳感器和監測儀器以后，系統平均功耗將增加至100 mW 左右，則持續運行90 d所需要的電量約為43.2 Ah，當前技術條件下足以制作該容量鋰電池組。

另一方面，在使用供電模塊給控制系統和溫度測量模塊供電時，系統按照“啟動-測量-保存-關機”的順序周期性工作，SD卡中得到了一系列準確的溫度數據，表現出良好的穩定性。

4 結論

天然氣水合物大規模勘探和開采必須首先對水合物的環境效應及環境災害進行研究和評估，研制天然氣水合物海底環境效應長期監測系統，實現海底天然氣水合物多參量的環境要素不同時空尺度的狀況及其變化趨勢進行長期監測，其核心技術在于水下低功耗控制系統的設計，它負責對各傳感器和監測儀器的驅動、控制，對監測數據的接收、封裝、格式化存儲以及與甲板系統的通訊。本文首先對天然氣水合物海底環境效應長期監測系統進行了整體介紹，然后為之設計了以S3C6410A為核心的水下低功耗嵌入式控制系統，在winCE 6.0嵌入式操作系統環境下開發了控制系統的主程序。然后，設計了控制系統的供電模塊，根據監測周期為控制系統和多參量傳感器及聲學Modem進行周期性供電。在實驗室環境下經過分析和測試表明，所設計的控制系統運行平穩，在降低功耗、節約能源等方面具有較好的性能。在后續工作中，將搭載海洋科考船進行海試實驗，以進一步驗證低功耗性能和系統穩定性。

[1]盛堰，肖波，陳宗恒.天然氣水合物海底環境長期監測系統設計[J].海洋地質前沿，2012,28(4):67-70.

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