南極近岸海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制

南極近岸海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制

作為地球系統(tǒng)的重要組成部分，北極是世界氣候變化的重要敏感區(qū)和驅(qū)動區(qū)。進(jìn)行極地海洋環(huán)境的監(jiān)測與研究,對于揭示極地海洋環(huán)境的快速變化及其對地球變化的響應(yīng)與反饋作用具有重要意義。但是受極地惡劣氣候條件的限制,目前對極地海洋環(huán)境的調(diào)查活動主要集中在南極無冰的夏季,采用傳統(tǒng)的船基調(diào)查方式開展。由于海冰的限制,對極地冰下(或水下)觀測手段還很缺乏,無法得到全年連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。這大大制約了對相關(guān)海洋科學(xué)過程的深入研究。為了能夠深入了解極地海洋的物理和生物學(xué)過程,分析生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境快速變化之間的相關(guān)性,以我國南極長城站近海作為試驗區(qū),研制了一套適用于極區(qū)的站基海洋動力和生態(tài)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng),并分別于2009年11月—2010年1月、2010年11月—2011年1月隨中國第26次、第27次南極考察隊在南極長城站長城灣海域進(jìn)行了布放和運行。1水下數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)系統(tǒng)按功能分為水下測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)三部分。水下測量系統(tǒng)對包括溫度、鹽度、深度、pH、有效光合輻照度(PAR)、氧化還原電位(ORP)、葉綠素、海流在內(nèi)的生態(tài)要素及動力要素進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測;數(shù)據(jù)傳輸和供電系統(tǒng)即數(shù)據(jù)傳輸和供電電纜,由岸站實驗室引出經(jīng)橋架進(jìn)入潮間帶預(yù)埋管,之后沿著海底連接到水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),主要負(fù)責(zé)岸站到水下測量系統(tǒng)的供電傳輸,并將水下測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)傳至岸站實驗室的上位機(jī);數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由上位機(jī)及數(shù)據(jù)采集軟件組成,負(fù)責(zé)定時從水下測量系統(tǒng)讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)(系統(tǒng)示意圖見圖1)。水下測量系統(tǒng)由剖面測量部分和坐底測量部分組成。剖面測量部分主要由第一層剖面測量單元、第二層剖面測量單元、第三層剖面測量單元組成,其中第一層剖面測量單元、第二層剖面測量單元固定在承重纜上對溫度、鹽度、深度、葉綠素、PAR、ORP和pH七個參數(shù)進(jìn)行測量,第三層剖面測量單元固定在坐底平臺上對溫度、鹽度、深度三個參數(shù)進(jìn)行測量。坐底測量部分即測量海流的ADCP,固定在坐底平臺的常平架上。水下測量系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。2結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括系留部分及控制艙的設(shè)計。系留部分包括坐底平臺、Kevlar承重纜、主浮體、釋放機(jī)構(gòu)、常平架以及系統(tǒng)連接裝置。2.1其余的設(shè)計2.1.1平臺的重量要求坐底平臺有錨定整個系統(tǒng)、安裝常平架、控制艙、釋放機(jī)構(gòu)等功能。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,坐底平臺必須有足夠的重量。但是考慮系統(tǒng)布放和回收的難度,坐底平臺不宜過重。坐底平臺采用“天圓地方”的框架結(jié)構(gòu),材料選用316L不銹鋼棒。平臺上除了安裝用于固定ADCP的常平架外,還要固定釋放機(jī)構(gòu)、控制艙等。根據(jù)力學(xué)計算結(jié)果,通過增減錨塊調(diào)節(jié)坐底平臺的沉重。2.1.2系統(tǒng)分組成設(shè)計常平架又稱萬向環(huán),由底盤、外轉(zhuǎn)環(huán)、內(nèi)轉(zhuǎn)環(huán)、轉(zhuǎn)軸和連接板四部分組成(見圖3)。本系統(tǒng)中常平架內(nèi)置于坐底平臺的頂部,其上固定ADCP,通過沿兩個垂直的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)保持ADCP豎直工作姿態(tài)。常平架的材料選用316L不銹鋼,其表面進(jìn)行防腐噴涂處理。2.1.3重建纜及其他重纜等數(shù)在系留系統(tǒng)中通過特殊材料加工的卸扣將主浮體、承重纜、測量單元、坐底平臺等依次連接。在主浮體和第一層剖面測量單元之間接入防腐材料制成的轉(zhuǎn)環(huán)以釋放海流帶給系統(tǒng)的扭矩。2.2聚甲醛材料的選用控制艙(見圖4)用來放置控制電路、數(shù)據(jù)采集電路等?？刂婆撏鈿みx用耐腐蝕的聚甲醛材料,控制艙的設(shè)計考慮了耐壓、密封等問題。同時,由于控制電路放置于艙內(nèi),故控制艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計采取了防電磁干擾措施。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,其水下工作平臺示意圖如圖5所示。3系統(tǒng)控制3.1數(shù)據(jù)傳輸裝置系統(tǒng)采用單片機(jī)實現(xiàn)測量系統(tǒng)的電源控制和數(shù)據(jù)采集功能。電纜數(shù)據(jù)傳輸采用串行通信的方式,由于是長距離(傳輸距離1km)傳輸,綜合考慮選用RS485總線實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的測量傳感器包括第一層的SBE16-A,第二層的SBE16-B以及底層的SBE37和ADCP。測量數(shù)據(jù)通過雙4通道的模擬開關(guān),再經(jīng)RS232接口芯片進(jìn)入C8051單片機(jī),然后由RS485接口芯片經(jīng)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。為了提高數(shù)據(jù)的安全性,對第一層第二層傳感器附加儲存器對測量數(shù)據(jù)實時存儲。數(shù)據(jù)信息的傳輸過程見圖6。3.2dc電源模塊系統(tǒng)采用岸基有纜低壓直流傳輸方式供電,水下部分采用DC-DC電源模塊供電。由于電纜長期暴露在低溫環(huán)境中,要求其具有良好的抗低溫性能。為提高其耐磨性,防止海底對電纜內(nèi)部電源線和信號線造成損傷,外加兩層聚氨酯護(hù)套,中間采用鎧裝保護(hù)。3.3整體控制方案設(shè)計從傳感器到控制艙間的傳輸,考慮到距離較長,第一層和第二層傳感器的數(shù)據(jù)采集采用RS485總線實現(xiàn)傳輸;底層的ADCP和CTD距控制艙較近,采用RS232串口傳輸。軟件設(shè)計方面,根據(jù)數(shù)據(jù)類型和海水層的不同,對第一層和第二層傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行時序設(shè)定,將兩層數(shù)據(jù)采集時間錯開,兩層的數(shù)據(jù)采集時間分別為t0和t1(圖7)。底層包括CTD和ADCP兩個傳感器,故也要分時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(圖8)。在采集數(shù)據(jù)時序劃分基礎(chǔ)上,進(jìn)行軟件設(shè)計,對各個傳感器的采集數(shù)據(jù)是按照時序順序執(zhí)行,直到最后發(fā)送出去由上位機(jī)通過RS232接收,發(fā)送流程如圖9所示。4上位機(jī)軟件設(shè)計水下測量系統(tǒng)與岸站實驗室內(nèi)上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信過程為上位機(jī)定時向水下采集系統(tǒng)發(fā)送采樣指令,水下采集系統(tǒng)接收到采樣指令后分時對各層傳感器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后把采集到的各傳感器數(shù)據(jù)打包發(fā)送回上位機(jī),上位機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VisualBasic6.0開發(fā)。上位機(jī)軟件包括三大功能:控制指令的發(fā)送及數(shù)據(jù)接收功能;自動發(fā)郵件功能;數(shù)據(jù)回放功能。前兩個功能為定時自動執(zhí)行,數(shù)據(jù)回放功能為手動執(zhí)行。上位機(jī)定時通過串口向下位機(jī)發(fā)送控制指令,下位機(jī)接收控制指令并依次采集各個傳感器數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)打包以后立即由串口發(fā)送至上位機(jī),上位機(jī)接收數(shù)據(jù)包,在上位機(jī)軟件界面上顯示各傳感器測量數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)按固定格式分別儲存到指定路徑下的兩個文本文件:一個僅保存當(dāng)日的采集數(shù)據(jù);另一個保存所有采集到的數(shù)據(jù),每次的采樣數(shù)據(jù)都追加保存。上位機(jī)自動把保存當(dāng)日數(shù)據(jù)的文件以附件的形式發(fā)送到指定電子郵箱。4.1上位機(jī)軟件設(shè)計上位機(jī)通過“問答式”對下位機(jī)進(jìn)行控制,上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采樣指令,下位機(jī)接收到采樣指令后對進(jìn)行分時采樣,然后把數(shù)據(jù)打包發(fā)回,上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行儲存,同時在上位機(jī)軟件界面上顯示最近一次的采樣數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件界面如圖10所示。上位機(jī)通過串口與下位機(jī)之間進(jìn)行控制指令及監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。在程序設(shè)計過程中,通過引用或設(shè)置MSComm控件的屬性、事件和方法,實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信。上位機(jī)控制指令的發(fā)送及監(jiān)測數(shù)據(jù)接收流程如圖11所示。上位機(jī)開始工作后,到達(dá)時間點后向下位機(jī)發(fā)送采樣指令,下位機(jī)開始將采樣數(shù)據(jù)包傳輸至上位機(jī),接收完成后,上位機(jī)界面顯示各傳感器測量數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)同時被保存為文本文件,如圖12所示。4.2至指定號碼自動發(fā)郵件功能是定時把當(dāng)日數(shù)據(jù)文件發(fā)送至指定郵箱。這樣科研人員能夠及時方便地獲取南極長城灣海域生態(tài)環(huán)境及動力要素的監(jiān)測數(shù)據(jù)。自動發(fā)郵件流程如圖13所示。4.3數(shù)據(jù)曲線圖的繪制上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)保存后,不能直觀查看某一傳感器測量值的變化趨勢。數(shù)據(jù)回放功能把各個測量值單獨繪制隨時間變化曲線,便于查看其隨時間的變化趨勢。選擇單日數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放時,繪制當(dāng)日數(shù)據(jù)曲線;選擇總的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)回放時,可以查看各個選定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線。數(shù)據(jù)回放流程如圖14所示。利用微軟MSChart控件繪制數(shù)據(jù)曲線圖。添加MSChart對象以后,通過ChartType,Title,Footnote,Plot等屬性對圖表類型和外觀顯示等信息進(jìn)行設(shè)置。采樣數(shù)據(jù)按照圖12中的格式進(jìn)行保存,把各傳感器數(shù)據(jù)從各次采樣的數(shù)據(jù)中提取形成一個按采樣時間排列的數(shù)組,再將數(shù)組賦值給MSChart對象的ChartData屬性繪制出對應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)的曲線圖。數(shù)據(jù)提取過程如圖15所示。5現(xiàn)場試驗的完成情況現(xiàn)場試驗的目的是要考核系統(tǒng)在南極環(huán)境中工作的可靠性,獲得長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。2009年11月—2010年1月,2010年11月—2011年1月隨中國第26次、第27次南極科學(xué)考察隊赴中國南極長城站進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗。第一次現(xiàn)場試運行以及第二次現(xiàn)場試驗期間,該系統(tǒng)一直工作穩(wěn)定?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明系統(tǒng)能夠按照設(shè)計要求正常工作,水下測量系統(tǒng)到上位機(jī)的通訊正常,測量數(shù)據(jù)經(jīng)上位機(jī)軟件打包后能夠通過郵件形式在每天指定時間發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。6現(xiàn)場試驗