基于ARGOS通信技術的海冰浮標低功耗系統設計

沈 璐，謝 暉，陳相全，董永軍

（1.吉林建筑大學 基礎科學部，吉林 長春 130018；2.東北師范大學 吉林省先進能源開發與應用創新重點實驗室，吉林 長春 130024）

0 引 言

北極地區作為全球氣候變化響應和反饋最敏感的地區之一，已成為全球氣候變化研究的關鍵區域。近年來，北極地區正發生著快速變化。海冰作為北極地區最重要的組成部分，是北極快速變化評測的關鍵要素[1]。海冰使地球表面獲取的太陽輻射能顯著減少，極大地影響了海洋與大氣之間的熱、能量以及動量的傳遞[2,3]。目前，北極海冰與氣候變化研究中需要解決的關鍵科學問題是北極海冰消融及其對氣候反饋的物理機制和未來海冰的演變趨勢。北極海冰覆蓋面積和海冰厚度從20世紀90年代開始減少[4-7]，直接導致海洋吸收太陽輻射能的大幅度增加。這對海冰融化產生了正反饋效應，從而嚴重影響氣候系統的變化[8,9]。作為北半球國家，北極海冰快速變化對我國氣候變化有著直接影響。

人們對北極海冰的研究缺乏有效的觀測手段，通常采用遙感方式研究海冰的面積變化。這種現有的觀測能力只能給出海冰變化的結果，不能給出海冰變化的具體動力學與熱力學過程。采用海冰浮標監測海冰變化是研究北極快速變化原因的重要手段之一。海冰浮標早已被廣泛用于跟蹤海冰運動軌跡、運動速度、變形率以及海冰形態的時空變化等多方面的研究[10,11]。海冰浮標獲取的海冰運動、表面溫度以及風速等實測數據，對極地大氣模式的分析和驗證具有重要作用[12]。然而，由于多種原因，目前布放于北極的海冰浮標使用壽命普遍偏短。

本文以冰基浮標為觀測平臺，開發溫濕度、氣壓以及GPS等多參數采集的遠程監測與通信系統。系統基于ARGOS衛星通信技術，采用STC12增強型低功耗微處理器，采集、處理以及傳輸海冰表面溫濕度、氣壓以及海冰位置等參數。在保證數據通信質量的前提下，充分考慮硬件低功耗設計和軟件優化管理機制，多方位降低系統功耗。通過測試各個模塊的功耗，評估系統總體功耗，合理配置供電電源。此外，分析布放于北極地區的該類浮標運行情況，為進一步開展優化設計提供參考。

1 總體結構

本文設計的浮標需要采集海冰表面的溫濕度、氣壓以及海冰的實時位置信息，通過ARGOS衛星進行遠程數據通信。考慮到海冰漂移速度相對緩慢，參數采集密度可調節，系統可借助實時時鐘和可控電源進行低功耗管理。因此，浮標監測與通信系統主要包括STC12單片機、電源模塊、實時時鐘、ARGOS通信模塊、溫濕度傳感器、氣壓傳感器以及GPS等單元，總體結構如圖1所示。

圖1 海冰浮標監測與通信系統總體結構

2 硬件設計

2.1 主控制器與實時時鐘

微處理器采用STC12系列增強型單片機，具有高速、低功耗、抗干擾性強以及輸入輸出接口豐富等優點。該系列單片機掉電模式下的電流功耗小于0.1 μA，正常工作電流低至2 mA，工作頻率高達35 MHz，片上Flash和RAM的內存分別高達62 kB和1 280 bit，具有多路UART接口，工作溫度低至-55 ℃。

系統的低功耗設計要求盡可能多的元器件在不工作的時候處于關機或者睡眠狀態，通過外部控制實現開機或喚醒。其中，微處理器的喚醒通過外部定時器中斷來實現。本系統的外部定時器選用凌特公司的低頻時鐘芯片LTC6991。該芯片外圍電路簡單且定時準確，能實現無干擾、首周期準確啟動以及長持續時間定時，實測供電電流僅為60 μA，工作溫度低至-55 ℃。主控制器與實時時鐘芯片的電路原理如圖2所示。

2.2 電源模塊

考慮到極地低溫環境，供電電源采用14.4 V鋰亞硫酰氯功率型電池。衛星數據發射瞬間所需功耗較大，為彌補低溫條件下鋰電池放點能力受限的缺點，采用超級電容輔助放電。微處理器和外圍器件所需電壓為3.3 V，采用凌特公司的輸出電壓可調的降壓型開關電源芯片LT8610，如圖3所示。它的實測靜態電流功耗約為80 μA，工作溫度低至-55 ℃。

2.3 傳感器單元

圖2 主控制器與實時時鐘電路原理圖

圖3 DC/DC變換電路

圖4 傳感器單元接口電路

傳感器單元包括溫濕度傳感器、氣壓傳感器以及GPS定位模塊，接口電路如圖4所示。其中，溫濕度傳感器選用挪威Vaisala公司的HMP155型，為溫度和相對濕度一體型傳感器，輸出模擬電壓信號。溫濕度傳感器外部加防輻射罩，能夠有效反射來自各個方向的輻射，保護內部溫濕度傳感器免受風、雪、雨、沙以及塵等惡劣氣候條件的影響。氣壓傳感器采用挪威Vaisala公司的PB110型，輸出模擬電壓信號。GPS定位模塊采用Globalsat公司的GPS模塊。該模塊基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高靈敏度以及高性能的特點，為主控制器提供準確的時間與位置信息。

2.4 衛星通信單元

ARGOS通信模塊采用Kenwood公司的ARGOS-3 PMT-RFM模塊，具有衛星過頂預測并自動喚醒功能，實現數據有效傳輸的同時降低數據衛星通信系統的功耗。它的休眠功耗低至90 μA，瞬時發射電流3 A左右。ARGOS衛星通信接口電路，如圖5所示。

圖5 ARGOS衛星通信接口電路

3 軟件流程

系統啟動后先進行自檢，確保功能一切正常。自檢無誤后，傳感器采集并處理數據。數據采集完畢即刻關閉傳感器電源，以節省傳感器功耗。主控器將采集處理后的傳感器數據送入ARGOS模塊緩存。ARGOS模塊根據預測的衛星過頂時間自動喚醒并發送緩存的數據。主控制器傳輸數據完畢便進入休眠狀態，等待定時器觸發中斷喚醒，進入下一周期的數據采集。具體流程如圖6所示。

圖6 軟件設計流程

4 結 論

本文為解決海冰表面環境參數的長期連續觀測問題，設計了一種基于ARGOS衛星通信技術的低功耗多參數冰基浮標監測與通信系統。實測系統整機待機功耗低于300 μA，低溫測試環境為-50 ℃仍可正常工作。該系統搭載的冰基浮標已成功布放于北極浮冰上，連續采集了海冰表面的溫濕度、氣壓以及海冰位置等信息，有效運行時間長達一年之久。該系統經過軟硬件優化設計，可以推廣應用于大面積的海冰環境監測。