海床基傳感器數據采集與遠程控制單元設計

王思又 鄭衍寧 鄭坤

摘? 要：目前傳統海床基傳感器存在數據采集自動化控制、多傳感器狀態監測、水下硬件維護困難等問題。為解決上述問題，提出一種海床基傳感器數據采集與遠程控制單元的設計方案，主要包括海洋觀測數據的實時傳輸與處理、傳感器遠程控制及狀態監測、數據實時可視化三個部分的功能。通過下水測試，驗證了該方案對解決海床基多傳感器自動化控制等問題的有效性。

關鍵詞：海床基傳感器;數據采集;遠程控制;復合纜通信

中圖分類號：P716? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

海洋觀測技術裝備包括海洋觀測平臺裝備及傳感器設備，是海洋工作的必要支撐手段，在海洋強國建設進程中具有重要的戰略地位[1]。海床基作為一種高可靠、低功耗、連續性觀測海洋水文、海洋生物、海底地質等要素的重要設施，是獲取海洋表面及水下綜合數據工作中不可或缺的技術手段[2，3]。

目前，國內自主研發的海床基觀測系統，在技術上趨于成熟，但在應用中還存在一些問題，主要表現在傳感器采集與控制單元上，其中包括數據采集及傳輸安全問題、傳感器遠程控制問題及傳感器設備維護問題。為解決以上三個問題，本文結合現有技術和傳感器實際觀測應用場景進行分析，提出了一種海床基傳感器數據采集與遠程控制單元設計方法，為相關技術人員提供參考。

1 總體設計

1.1 工作原理

同海床基自動化監測系統一樣，本設計中所提出的數據采集與遠程控制單元（下文簡稱采集控制單元）是一種適用于海床基多傳感器自動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據采集與控制器，它與傳感器安裝在海床基搭載平臺上，水上部分包括水上數據接收與控制器、電源管理控制器和數據可視化工控機，它們部署在近海岸固定觀測平臺上。海床基平臺內傳感器與采集控制單元水下部分通過串口通信，采集控制單元水下部分再通過海底光纖電源復合纜（下文簡稱復合纜）與水上部分進行相連，組成完整通訊鏈路，實現數據的采集與控制。其中，復合纜在滿足采集控制單元水上水下設備通信要求的同時，對整個海床基中的硬件設施進行供電，在水上部分，復合纜分別與近海岸固定觀測平臺中的電源控制器和水上數據接收與控制器相連，其中電源控制器用來控制水下設備的電源切換，水上數據接收與控制器將數據進一步處理解析后將數據發送給可視化工控機，由可視化工控機對海洋觀測數據進行最終的處理及可視化顯示，可視化工控機提供控制水下傳感器操作功能，將操作命令再通過數據接收鏈路發送給傳感器設備。具體工作原理如圖1所示。

1.2 硬件組成

海床基傳感器數據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部分。

1.2.1 水下部分

水下部分即水下數據采集與控制器，它由多傳感器接口集成管理板卡、通信控制與數據處理板卡和光纖數據傳輸控制器組成。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備，便于接口統一管理。通信控制與數據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據傳輸控制器兩個硬件的通信，并對其進行管理，同時對于傳感器傳輸上來的原始數據進行分類整理。光纖數據傳輸控制器主要用于保障水上水下的硬件進行正常的光纖通信。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據接收與控制器、可視化工控機、電源管理控制器，其中水上數據接收與控制器由光纖數據傳輸控制器、通信控制與數據處理板卡組成。數據可視化工控機主要是用于對海床基傳感器進行遠程管理、數據采集、狀態監測，以及數據可視化存儲等。電源管理器主要是針對于海床基傳感器的電源進行管理與控制，從而保障整個單元正常工作。具體組成如圖4所示。

1.3 功能設計

1.3.1 數據采集與傳輸

海床基平臺搭載了聲學多普勒波浪剖面流速儀（ADCP）、聲學多普勒點式流速儀（ADV）、溫鹽深儀（CTD）、水位計等多種物理海洋數據采集傳感器設備。本設計中所采用的聲學多普勒波浪剖面流速儀和聲學多普勒點式流速儀的數據傳輸頻率最快為1Hz，而溫鹽深儀的數據傳輸頻率最快為1.8Hz，為了保證數據傳輸的穩定性，所以采用高頻補碼統一數據位的方式進行傳輸，即采用最快1Hz的傳輸頻率，對于部分頻率較低導致的傳感器數據缺失采用補碼的方式進行填充，保證數據傳輸的一致性。主要傳感器參數指標如表1所示。

傳感器有效數據大小為24字節，為保證海床基傳感器搭載平臺的可擴展性，數據傳輸設計大小為40字節。為了降低傳輸能耗和數據損失率，采用光纖進行傳輸，在此過程中，底層傳輸協議采用UDP協議。

1.3.2 多傳感器參數配置

海床基安置過程較繁瑣，通過頻繁打撈設備進行最優參數調整對海上觀測人員提出了考驗。為降低勞動強度，簡化傳感器參數配置的工作流程，本文對傳感器的參數配置功能進行了設計，以實現多傳感器參數遠程設置功能。

傳感器配置主要包括采樣頻率、存儲格式、工作時間，以及設備工作環境信息等。所有參數設置操作均在工控機上完成，然后通過光纖線路發送給水下通信控制與數據處理模塊，由該模塊將參數進一步解析，發送給各個傳感器，實現用戶對多傳感器的參數設置。

1.3.3 數據實時可視化

海床基傳感器在工作狀態下，實時將數據發送給水下通信控制與數據處理模塊，由該模塊對數據進行實時處理，通過光纖線路發送給水上部分，最終由數據可視化工控機對數據進行處理及可視化顯示。數據可視化工控機針對數據可視化主要包含以下三部分的內容：（1）傳感器采集信息實時顯示。工控機對接收到的數據流進行逐個字節實時解析，并對解析數據進行閾值驗證，檢核無誤并進行實時顯示，若有誤，則進行錯誤統計顯示。（2）歷史數據動態顯示。工控機終端對已接收的數據進行臨時存儲，將其通過動態曲線的形式顯示。（3）傳感器狀態及輔助信息的實時顯示。水下通信控制與數據處理模塊將對傳感器狀態、工作環境信息，及傳輸鏈路的通信質量實時收集，該部分信息將實時顯示在工控機軟件;其中，傳感器采集數據質量的顯示，主要依據（1）中的錯誤統計。

2 關鍵技術

2.1 數據壓縮與加密

數據壓縮對象為監測狀態數據、通信狀態數據及部分采集數據，其中，監測狀態數據包括傳感器工作狀態及外部環境數據。

字符數據采用數據字典方法進行壓縮，敏感數據采用DES進行對稱加、解密，而加密與解密的Key值采用MD5結合salt算法進行加密[6]。進而相同Key明文每次經過salt算法添加隨機數后，加密生成Key的密文將完全不同，加大了暴力破解的難度，保障了數據的安全性[7]。

2.2 傳感器狀態監測與遠程控制

傳感器狀態監測所依據的硬件包括兩個部分，一是傳感器本身所具有的硬件設備，主要是用于監測傳感器自身工作狀態;二是傳感器外部的輔助設備，如監測酸堿度、溫度等指標的傳感器。通過對這兩個部分信息進行采集整理，實現傳感器狀態檢測的目的。

傳感器遠程控制依據第三方函數庫（API），實現對傳感器遠程控制功能。整合多個傳感器的各參數配置原理，實現傳感器從單一到復雜功能的一鍵配置。狀態監測與遠程控制使得傳感器高效配置，保障傳感器可持續工作。

2.3 斷電保護

在實際應用過程中，為了降低海上突發水文災害對水下傳感器及水上觀測平臺相關硬件的破壞，設計閾值警報功能。對觀測數據進行預處理分析，結合水文環境災害參考指標分析，給出異常工作信息，同時進行斷電保護。

3 下水實驗與結果分析

為驗證本設計方案的有效及實用性，采用221cm×150cm×50cm的水池進行下水實驗。其中，測試所采用的傳感器為Nortek“浪龍”波浪剖面流速儀AWAC（ADCP）、Nortek“威龍”聲學多普勒點式流速儀Vector（ADV），以及美國SEA-BIRD溫鹽深綜合剖面測量儀（CTD）。通過攪動池水來模擬海上水面波浪及水流，使得傳感器測得持續變化的參數測量值，具體下水測試情況如圖5所示。

傳感器分別通過串口線與采集控制單元的水下部分相連，水下部分再通過復合纜與采集控制單元的水上部分連接。通過實驗測試，實驗中所采集的數據可視化效果及傳感器監測信息如圖6所示。

對比傳感器固有的隨機軟件與本設計中工控機可視化軟件對相同原始數據的解析結果，得出數據解析正確率達99.75%。通過遠程設置，更改傳感器采樣參數，經狀態更新以后，可視化軟件端狀態（如圖6）也隨之進行自動化更新。

4 結束語

本文從實際應用出發，針對海床基傳感器觀測過程中仍存在的問題，提出了解決辦法。設計中集成了多種傳感器的數據采集與控制、串口與光纖線路通訊、數據分析與可視化表達等多方面的技術，實現對海床基傳感器在海洋觀測工作效率的提升。

參考文獻：

[1]羅續業.論海洋觀測技術裝備在我國海洋強國建設中的戰略地位[J].海洋開發與管理，2014，31（03）：37-38.

[2]張毅，孫思萍，齊爾麥，等.海床基自動監測系統中央控制單元設計與實驗[J].海洋技術，2007（04）：1-3.

[3]李民，劉世萱，王波，等.海洋環境定點平臺觀測技術概述及發展態勢分析[J].海洋技術學報，2015，34（03）：36-42.

[4]齊爾麥，張毅，常延年.海床基海洋環境自動監測系統的研究[J].海洋技術，2011，30（02）：84-87.

[5]孫思萍.海床基海洋環境自動監測系統[J].海洋技術，2000（04）：1-7.

[6]張馳.基于DES和RSA混合加密的即時通信系統的設計與實現[D].廈門大學，2017.

[7]魏曉玲.MD5加密算法的研究及應用[J].信息技術，2010，34

（07）：145-147+151.