基于STM32的定點剖面浮標監控系統設計

吳 杰 ，周 悅 ，殷 潔 ，楚燈旺 ，郭 威

（1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2.上海深淵科學工程技術研究中心，上海 201306；3.中國科學院深?？茖W與工程研究所，三亞 572000）

0 引言

浮標監測系統能夠為江河、湖泊和海洋環境提供長期、連續、實時和可靠的觀測[1]。隨著科技的發展，尤其是傳感器技術的長足進步，浮標也從以前單一海洋監測轉變為現在的海洋物理、生物、氣候、生物模式等全方位、完備化的實時監測[2]。海洋數據的監測發生了巨大變化，數據的精確采集、良好存儲、實時有效的發送成為衡量浮標性能優劣的重要標準。

通常，浮標監控系統主要分為兩種：一種浮標是采集的信息可實時發送，即采集的數據可以立即發送給岸基系統，浮標系統無需對采集的數據進行處理，如漂浮浮標和潛標監控系統；另一種浮標是采集信息需存儲，浮上水面后才能發送，如Argo剖面浮標觀測系統，它采用控制單元對各類傳感器的數據訪問，并將所讀的數據處理存儲，當上浮至水面時通信模塊再將數據發送給岸基系統[3,4]。

針對淺水域水質信息獲取，本文設計了一種可以監測水域剖面數據的定點剖面浮標電控系統，通過定點浮標搭載的傳感器采集壓力、溶解氧等信息，并將采集數據發送給岸基控制中心的監控系統，從而實現對目標水域剖面數據的實時監控。

1 系統組成及運動模式

1.1 系統組成

定點剖面浮標監控系統包括定點剖面浮標本體的下位機控制系統和岸基人機交互系統。定點剖面浮標是一種靠自身浮力調節裝置來實現連續下潛上浮作業，并且其尾部使用錨系線與水底錨系固定的浮標。定點剖面浮標整體設計上采用模塊化理念，從功能上將剖面浮標分解為一系列相互獨立的單元模塊，每個模塊都獨立密封，主要包括浮力調節、數據采集、控制和數據存儲、通信和電源管理單元，如圖1所示。針對不同的任務需求和應用環境，選擇相應的單元模塊，并搭載所需傳感器，即重組時只需要更換艙段并稍加修改浮標本體中的控制單元程序即可完成，組裝靈活、易于維護。

圖1 定點剖面浮標結構圖

1.2 系統運動模式

首先，岸基系統監控平臺上位機與定點剖面浮標的下位機建立通信鏈接；然后定點剖面浮標通過控制浮力調節單元的實現下潛，同時關斷GPS模塊和通信模塊，下位機按照預設的采集間隔時間給相關傳感器發送采集指令，實現對深度、溫度、溶解氧等信息的采集的監測，并以“深度-溫度-溶解氧”數據格式進行數據存儲，從而完成了對不同深度剖面信息數據的采集；再次，當浮標作業后上浮，再次采集相關信息；最后，當浮標浮出水面時，將喚醒GPS和通信模塊，再次建立浮標與上位機的通信鏈接，以便下位機向上位機發送定位數據以及SD內存卡存儲的數據和剩余電量數據。特別是，浮標在水下作業過程中檢測到剩余電量低于門限值時將直接上浮，或者當在水面檢測到剩余電量不能維持下一個作業周期時也將被回收充電，以保證浮標的安全回收。

2 電控系統硬件組成

根據作業需求，定點剖面浮標下位機電控系以STM32F103ZET6單片機控制板為核心，包含調節浮力的步進電機及其驅動器模塊、GPS定位模塊、4G數傳電臺、壓力和溶解氧傳感器模塊、電能計量模塊和拋載繼電器等組成，系統硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖

其中：STM32F103ZET6控制單元含有RS232接口、RS485接口、CAN總線等多種通信接口，可滿足CTD傳感器、DO傳感器、溫鹽傳感器等多種數字量和模擬量的接口需求；浮力調節是通過步進電機驅動滾珠螺母旋轉帶動絲杠控制活塞吸油和排油，引起油馕的體積變化，實現浮力調節，本系統選用57步進電機并采用PWM恒流控制ATK-2MD4850步進電機驅動器；GPS單元選用NEO-6M GPS模塊，讀取其數據頭為“$GPRMC”的GPS數據，獲取浮標的位置信息；4G數傳電臺選用濟南有人物聯網技術有限公司發布的4G DTU USR-G780V2 4G數傳電臺；深度信息是通過壓力傳感器變換獲取，壓力傳感器選用星儀傳感器制造有限公司發布的CYYZ31系列量程為0到0.6Mpa，精度為0.1%FS防水型壓力傳感器，經換算可測量60米以潛的水深，使用Modbus通信協議；溶解氧傳感器和溫度傳感器選用煙臺凱米斯儀器有限公司發布的RDO-206熒光法溶解氧傳感器，也使用Modbus通信協議；SD存儲卡選用閃迪的SDSQUNC32G內存卡；電能計量模塊選用艾銳達光電有限公司的MI1253B實時監控電池的輸出電壓和電流，以進行能量的管理。

3 通信協議設計與數據存儲

4G數傳電臺是一種通過4G信號通信的通信模塊[7]，可以適用于4G移動網絡覆蓋區域，通信費用很低，通信實時性和成功率高[8]。

浮標浮在水面時，通過4G數傳電臺建立岸基上位機與剖面浮標下位機之間的通信連接，數據信息通過TCP協議進行封裝和傳輸。首先，上位機向下位機發送通信請求，下位機收到通信請求之后回復心跳包，上位機接受到心跳包，表示上位機和下位機通信鏈接建立完成。然后，上位機發送包含水下作業時間、定位請求、SD內存卡數據的請求數據包，下位機收到請求數據包將應答包含GPS定位數據、SD內存卡內數據和剩余電量信息的應答數據包。上位機和下位通信過程如圖3所示。若上位機發送通信請求，下位機長期沒有應答，上位機將報警提示，以供岸基操作人員進行處理。

圖3 下位機和上位機通信過程

本文使用SD儲存卡存儲采集的數據。采用FATFS文件操作系統[9]，在SD卡內創建一個新的TXT文本文檔，將采集的數據以“data：s00.0w00.0r00.0”的格式存儲進SD內存卡內的文本文檔，其中“s”表示深度，“w”表示溫度，“r”表示溶解氧。當浮標上浮至水面時，同樣使用FATFS文件系統將SD儲存卡內的數據讀出來，進行封裝并發送至上位機。使用存儲系統可以實現數據備份和數據保存等功能。當發送失敗或者發送時數據丟失時可以通過從浮標內取出SD存儲卡實現對采集數據的讀取。

4 下位機軟件設計

根據系統功能需求，本文使用Keil uVision5軟件設計下位機程序，其程序流程示意圖如圖4所示。下位機程序主要功能如下：1）通信建立；2）GPS模塊數據采集；3）PWM信號控制步進電機的吸油排油實現下潛上?。?）壓力、溶解氧傳感器等數值的讀取以及處理；5）數據信息存儲進SD內存卡，指令的接受和SD內存卡內數據的發送。

圖4 程序流程示意圖

5 上位機界面設計及試驗驗證

定點剖面浮標監控系統上位機使用LabVIEW進行設計，主要實現功能：1）串口信息配置；2）與下位機通信連接；3）指令的發送；4）數據接收；5）接收數據、解析與存儲；6）采集數據顯示。通過串口通信，LabVIEW調用函數庫中的VISA（Virtual Instrument Software Architecture）[10,11]，將接收到的數據使用字符串處理函數解析并存儲，同時將解析的相應數據顯示在上位機對應的顯示框內。定點剖面浮標多次在河流中進行了測試與應用，上位機顯示界面如圖5所示，有效實現了對不同深度剖面的水質監測。

圖5 剖面浮標作業和上位機人機交互界面

6 結語

圍繞淺水域水質的長期監測，本文采用模塊化思想，設計一種搭載傳感器靈活，易維修和升級的定點剖面浮標，進而針對浮標本體電控系統和岸基監控系統進行詳細設計，通過對浮力調節系統的控制實現了浮標周期性的下潛和上浮，通過預定程序自主采集和存儲不同深度溶解氧及溫度數據，通過4G數傳電臺建立了浮標與岸基監控中心的無線數據傳輸，從而實現了對水質有效監測。未來，將建立定點剖面浮標群，通過組網建立更廣泛水域的水質監測。