作者：赵杰 , 王志 , 惠力 , 朱洪海 , 杨俊贤 , 初士博
(山东省科学院海洋仪器仪表研究所 , 山东省海洋环境监测技术重点实验室 , 山东 青岛 266001)
摘要 : 为解决目前水质监测存在的单点测量 、实时跟踪观测不及时 、通信距离短和供电不便等问题 , 设计 了基于水声通信的海洋水质多点监测系统 。该系统主要包括浮标系统 、坐底式水质监测系统 、岸站实时数 据接收系统 。水质多点监测的下位机由浮标系统和海底多个坐底式水质监测系统组成; 坐底式系统与浮标 之间采用水声通信的方式实现水下数据上传 , 水声通信半径能达到 10 km; 以浮标作为中继系统 , 采用太 阳能供电 , 利用 DTU 和北斗双通信将分钟数据实时传输 , 解决了诸多水质监测中现存的问题 。研究表明 , 本系统数据实时上传率达到 95%以上 , 能够满足大范围海域内水质多点实时监测的要求 , 可为水产养殖提 供全天候有效可靠的水质参数。
关键词: 水质监测 ; 海上浮标 ; 海底观测网 ; 水声通信
在海洋水产养殖过程中 , 水域环境的优劣直接 影响到鱼 、虾 、蟹 、海参等海洋水产品质量的高低 。随着渔业养殖规模的扩大 、养殖种类的增多和养殖密度的增大 , 对盐度 、pH 、溶解氧 、水温等水质参数实时监测的水平和要求不断提高 。以往的水质监测 , 需租船到海上进行多点采样 , 将样品带 回实验室进行分析后才能得到数据 , 监测周期长 , 成本高 , 投入了大量的人力物力 , 不能实时监测水环境动态变化 。目前正在研发中的国外水质监测系统 , 如美国 Heliosware 公司的 EMNET系统和澳大利亚CSIRO公司的 Fleck 系统 , 通信速率低 , 体积大 , 成本昂贵[1] 。国内的水质监测系统研究 , 如刘兴国等[2] 提出的基于水质监测技术的水产养殖 安全保障系统和王骥等[3] 设计的基于无线传感器网络海洋环境监测系统 , 实现了水质多参数实时传输 , 但这两种系统需要市电供电 , 不能实现对大范围多层水质参数测量的要求 ,只适合单层面近海观测 , 而对于远海测量不适用。
本研究中以海底和海平面水质监测为目标 , 设计了海洋水质多点检测系统 , 分别测量海平面和海底多点水质参数 , 并且实现深远海的数据传输 , 旨在为水产养殖提供实时准确的水质参数 。该系统采用海洋浮标挂载 manta2 水质传感器的方式实现海平面水质参数的测量 , 利用坐底支架挂载水声 mo- dem 、水下密封舱和水质传感器构成的水下水质参 数采集系统 , 实现海底水质参数的测量 。水下采集 系统与海洋浮标间通过水声 modem 进行数据通信传输 。海洋浮标可实现与多个水下采集系统进行通信 , 通信半径可达到 10 km 。海洋浮标系统作为网关浮标 , 使水下数据可以穿过海面 , 实现水面与水下立体网络通信观测 。以浮标挂载 DTU 和北斗卫星双通信的方式实现数据近远海上传。
水质监测系统主要包括 3 大部分 : 岸站数据接 收终端 、海洋浮标中继采集传输系统和坐底式水质 数据监测系统 。海底传感器节点与海洋浮标水下进 行声学组网通信 , 海洋浮标系统将海底传感器节点 数据汇总后 , 通过 CDMA 网络和北斗卫星将数据 传送到岸站接收软件 。岸站接收软件对接收数据进 行显示 、存储 、分析和报警 , 实现水质参数的实时 监控[4] 。系统示意图如图 1 所示。
1. 1 海洋浮标中继采集传输系统
海洋浮标作为海底水质数据上传的中继载体 , 是整个水质监测系统的关键 。浮标系统主要包括中央处理采集器 、水声 modem 、多参数水质传感器 manta2 、北斗 、GPS 、罗盘 、DTU (CDMA) 、太阳 能供电系统 。其中 , 水声 modem 的作用是实现与 坐底式水质数据监测系统进行数据通信[5] ; 多参 数水质传感器实现海平面水质数据的测量 ; CD- MA 、北斗双通信能够解决近远海数据通信上传问 题 ; GPS 实现浮标的定位功能 , 防止浮标跑丢 ; 太 阳能供电系统 , 能够实现浮标系统在海上长时间供 电 ; 中央处理采集器将数据采集整理后进行存储 , 并通过双通信向岸站数据接收终端发送数据 ; 岸站 接收终端可随时调取中央处理器存储的数据。
1. 2 坐底式水质数据监测系统
坐底式水质数据监测系统主要包括水下支架、水质传感器 manta2 、水下密 封舱和水声modem。水下密封舱内包括电池系统和中央数据处理模块。水下密封舱内的电池可保证系统供电 , 连续供电周 期为3个月 ; 水下密封舱内的中央处理模块可以实现海底水质数据采集和通信 ; 水质传感器实现海底 水质参数测量 ; 水声modem 实现与浮标中心端水声modem 的数据链路通信 ; 水质传感器 、水下密 封舱和水声modem水下的耐压可达 100 m 水深。
2. 1 测控电路设计
水质监测系统的测控电路设计包括海上浮标系 统和海底水质观测点两部分 。两部分电路采用的中 央处理芯片 、水质传感器 、声学收发系统 、罗盘是 一致的 。海上浮标系统与海底观测点的不同在于供 电系统 、通信和卫星定位 。前者采用的是太阳能充 电系统 , 能实现网络和北斗卫星双通信 , 并挂载 GPS 实现定位功能 。后者采用锂电池供电 , 只能通 过水声 modem 实现通信功能 。测控电路设计框图 如图 2 所：
太阳能供电系统主要由 8 块太阳能电池板 、8块 12 V/ 100 Ah 蓄电池和太阳能充电控制器组成。测控电路中央处理芯片采用 AVR 公司生产的高性 能 、低功耗的 8 位微处理器 Xmega128A1 , 供电电压范围为 1 . 6 ~ 3 . 6 V , 操作速率最高可达32MIPS , 具有 128 K 的片内自编程 Flash 、4K 的内部 E- 2PROM 、8 K 的内部 SRAM 、4 路 DMA 控制器 、8 通道缓冲串行端口 、8 个 16 位通用定时器 、8 通道事件处理系统 、4 个两线通信接口兼容 I2C 与 SM- BUS 协议 、4 路 SPI 外部通信接口 , 2 路 8 通道 12 位 A/D 转换器和 2 路 2 通道 12 位 D/A 转换器 , 具有内部独立可编程看门狗 。12 位的 A/D采集电路可采集 0 ~ 12 V 电压信号和 4 ~ 20 mA 的电流信号。1 路开关量控制水声modem的开关电 。1 路 RS422 通信接口连接北斗 , 5 路 RS232 分别连接水声 mo-dem 、水质传感器 、GPS 、罗盘和 DTU 。系统的数据存储通过 SPI 接口连接 TF 卡实现。
2. 2 水声通信电路设计
为了现场维修维护方便 , 保证水声通信系统相 对独立性 , 需要单独设计具有透传功能的水声通信机 。该通信机可直接与串口设备相连接 , 实现数据 收发功能。
为降低设备处理预算功耗 , 提高通信准确率 ,实现数据透传功能 。本研究中选用 ADI 公司的低功耗 16 位定点 DSP 芯片 ADSP- BF548 和 ADSP-件设计与调试 , 也方便软件编程设计 。ADSP -BF561 拥有双处理内核 , 用于水声通信信号处理 ,实现水声调制解调的功能 。ADSP- BF548 外围资源丰富 , 担当设备的主控单元 , 可实现数据的缓存、存储与透传功能 。水声通信机的结构框图如图3 所示。
水质监测系统软件设计主要包括监测系统下位 机 、岸站接收上位机和水声通信链路 3 部分。
3. 1 监测系统下位机软件设计
监测系统下位机软件主要包括以下几个步骤 :
(1) 系统初始化 。系统上电后 , 对系统时钟、 串口 、TF 卡存储接口 、A/D 模块 、系统时钟等进 行初始化检测配置 , 等待接收命令。
(2) 传感器数据接收 。主控芯片通过串口发 送命令 , 启动传感器数据采集 。传感器启动后 , 串 口等待接收传感器采集数据。
(3) 数据整合存储和发送 。系统将采集的电 池电压 、传感器数据 、GPS 数据 、罗盘数据等整合 成一帧数据 , 数据帧包含帧头 、帧尾和数据校验 位 [7] 。
(4) 接收岸站上位机软件指令 。等待上位机 软件发送命令 , 命令帧也包括帧头 、帧尾和数据校 验位 。上位机的命令包括调取 、时间校正和误差数 据校准等。
下位机软件流程图如图 4 所示。
３. ２ 岸站接收上位机软件设计
岸站接收软件包括实时曲线显示功能区、 水质参数实时显示区 、浮标中心监控区域 、下位机电池电压和时间区域 、功能选项区和GPS 功能定位区 域 。在软件的功能区域 , 可选择实时监控界面 、历史数据查询界面 、通信调取界面 、时间校准 、系统配置和 Excel 制表功能 ; 在水质参数的实时显示区域 , 可以观察水质各项参数数据 ; 在实时曲线区域 , 可以观察曲线的连续性 ; 在浮标中心监控区域 , 可以观察浮标偏离中心点的距离 。此外 , 该软件可读取下位机上传数据时间和电池电压 , 同时实时显示 GPS 定位数据 。岸站接收上位机软件界面如图 5 所示。
3. 3 水声通信软件设计
水声通信系统主要分为相干和非相干两种方 式 , 前者要求发送信号与接收信号的相位和频率之 间存在预定关系 , 而后者则没有这方面要求 , 因 此 , 在数字信号处理方面 , 非相干通信系统比相干 通信系统要简单 , 本研究中采用非相干方式进行调 制解调。
3.3.1 发送端信号调制
水声通信发送端采用非 相干的频移键控 (FSK) 调制方式 。FSK 调制只和 频率有关 , 与相位无关 , 能减少码间干扰 , 抗干扰能力强 , 设计简单 , 稳定性高 , 但是 FSK 的频带 利率低 , 声道带宽有限 , 只适合于低速率传输 。为保证有限带宽内提髙传输速率 , 采用 MFSK 多进制 频率调制的方式 。由于通过水声传输信息量较小 , 采用 3FSK 调制方式完全满足监测系统要求。
MFSK 多频调制方式是用多种不同的载波频率 代表多种数字信息[8] 。3FSK 调制是每个字节由 3 种不同频率的正弦信号表示 。每个字节的最前端加 12 kHz 的正弦波作为同步信号 , 数据码用9kHz 的 正弦波表示二进制 0 , 用 11 kHz 的正弦波表示二进制1 。发送信息模式如图 6 所示。
为减少码间干扰 , 数据码发射时间间隔为 5 ms , 每个数据码周期长度为 5 个正弦周期 , 数据 码发送间隔长 , 数据码周期短 , 码元间留有足够间 隔给多途信号 , 码元发送时间间隔就是保护时间 。
3.3.2 接收端信号解调
按照上述水声信道的通 信特点 , 为降低多途信号干扰 , 发射端并不是连续的发射码元信息 。另外 , 为了提高波特率 , 减小了 保护时间和码元周期 。这些做法均降低了通信性 能 , 因此 , 接收端的处理运算能力对于整个系统的 通信性能提高至关重要。
为提高接收端信号处理速率 , 采样信号通过离 散 Hilbert 变化将原始信号从频带变化到基带[9] , 产生解析信号 , 这种方法可降低采样速率 , 减少运 算量 , 提高信噪比 , 实现锐截止滤波器的功能 。本 研究中通过第三类相位 FIR 滤波器实现 Hilbert 变 化。
解析信号通过 FFT 运算得出多普勒频率的偏 移量和码元信息 。多普勒偏移量实现接收信号频率 补偿功能 。码元信息经过解码以后由 Viterbi 算法 进行译码输出 。用 FFT 进行 256 点处理 , AD 采样 频率为 100 kHz , 因此 , 得到频谱最小间隔 100 000 Hz/256 = 390 Hz , 能够满足通信系统接收端对频率 分辨率的要求 。接收机信号处理流程如图 7 所示。
2013 年 3 月 , 该水质监测系统在某海域成功布放 , 实现了海域内多点水质参数测量 、数据实时上传 、数据调取和数据校正 , 以及24 h 全天连续监测等功能 。该系统连续工作时长近 3 年 , 达到渔业养殖部门对水质监测数据连续 、稳定 、准确观测的要求 。坐底式系统布放水域水深为 20 m 。浮标和坐底式系统布放实物图如图 8 所示。
系统软件会自动生成水质数据实时观测曲线 , 并对数据据。历史数据如图 9 和图 10 所示。将 2016 年 10月 2 日 10 : 00— 11 : 00 时间段内海面 、海底实时监测的水质平均数据与人工采样 后的实验室测量数据进行对比分析 , 结果如表 1 和 表 2 所示。
将2016年10月2日11:00~13:00时间段内海面、 海底实时监测的水质平均数据与人工采样后的实验室测量数据进行对比分析, 结果如表３和表４所示。
由上述 ３ 个小时的对比数据可以看出, 通过该水声通信的海洋水质多点监测系统获得的水质数据与实验室的采样测量数据相差并不明显, 该系统采集的数据具有一定的代表性和可靠性。
综上所述 , 利用浮标和坐底式系统组成的水质 监测系统能够实现海面与海底多点水质数据实时连 续测量 , 并得到可靠有效的数据 , 完全可以替代人 工海上采样作业 。系统主要解决了下列 4 个问题 :
(1) 实现海平面和海底多点水质参数同时测 量 , 主要数有据盐度 、pH 、水温 、溶解氧。
(2) 实现水声 modem 一对多点通信 , 建立水 面与水下立体网络通信 , 保证海底观测多点布放测 量 , 海底布放点离中心接收点间的距离半径可达到 10 km。
(3) 浮标采用太阳能供电系统 , 保证浮标系 统长久持续供电 , 不受市电的限制。
(4) 采用 CDMA 和北斗卫星双通信 , 可实现 近远海实时通信。本系统设计方法可在海洋水质参数观测设备中 进行广泛地推广和应用 , 特别是在多层测量和深远海水质监测方面具有一定的参考价值。
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本文整理自《大连海洋大学学报》期刊 2017年12月 第32卷 第6期，转载请备注论文作者，说明文章来源，并备注由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。
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