基于無線網(wǎng)橋的水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)*

宋婷婷，羅瑞龍，2

（1.上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 深淵技術(shù)與科學(xué)研究中心，上海 201306）

基于無線網(wǎng)橋的水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)*

宋婷婷1，羅瑞龍1，2

（1.上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué) 深淵技術(shù)與科學(xué)研究中心，上海 201306）

基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺開發(fā)了遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)，應(yīng)用于光合有效輻射等水下參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和測試現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)采用低成本無線網(wǎng)橋，可實現(xiàn) 3～5 km的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，16位 A/D多通道數(shù)據(jù)采集，采樣頻率最高250 kHz，同時控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，實現(xiàn)傳感器在水下的升降。實際測試表明，系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、安全性好的特點，為水下參數(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳輸提出了一種實用方法。

無線網(wǎng)橋；LabVIEW；水下光合有效輻射；遠(yuǎn)程測試

0 引言

水生綠色植物的生長依賴光合有效輻射（Photosynthetically Available Radiation，PAR）[1]。 通過獲知水體內(nèi)PAR的分布情況，能夠為水體生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。目前廣泛應(yīng)用的水下PAR測量方法有遙感模型估算法和實地測試法。遙感模型估算法主要應(yīng)用于海洋輻射分布計算，但多數(shù)模型是對大氣輻射傳輸模型的簡化，誤差較大，且需要地面實測數(shù)據(jù)的校正[2]。實地測試法是由試驗人員手動或船上絞車自動將傳感器投放至水下，測量不同深度水體的 PAR值[3]。實測法所得數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，但受到人員、設(shè)備及船舶等的陰影效應(yīng)，使得有效測試時間短（正午前后），測試成本較高，操作安全性也需注意，因此有必要開發(fā)一套易于操作的水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了水下光合有效輻射和其他水質(zhì)參數(shù)的自動測量、顯示及存儲，在降低試驗成本的同時增加了水面試驗的安全性。

1 系統(tǒng)原理

基于無線網(wǎng)橋傳輸?shù)乃鹿夂嫌行л椛溥h(yuǎn)程測試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、升降機(jī)構(gòu)和無線收發(fā)3部分組成，其中數(shù)據(jù)采集卡是系統(tǒng)的核心組件。為了便于水面測試，將由數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器等組成的測控箱經(jīng)良好密封后固定在浮體上，并錨定或系泊在測試點附近。傳感器借助一個剛性支架延伸至測試點水面上方，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的絞車控制其下降或上升，從而獲得不同深度的PAR數(shù)據(jù)。PAR傳感器信號比較微弱，需經(jīng)外置信號調(diào)理模塊放大，再輸入到多通道數(shù)據(jù)采集卡。無線網(wǎng)橋?qū)y試現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控計算機(jī)，同時將計算機(jī)發(fā)出的控制指令傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

2 水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的硬件組成

測試系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，其中升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器及繞纜卷筒組成。數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和無線網(wǎng)橋接入點(Access Point，AP)等小功率設(shè)備由同一塊12 VDC鋰電池供電，可持續(xù)不間斷測試7天；升降機(jī)構(gòu)由4塊12 VDC鉛酸蓄電池串聯(lián)供電，可維持電機(jī)不間斷工作 20 h。在測控箱上設(shè)計有專用充電接口，為上述蓄電池進(jìn)行外部充電。穩(wěn)定的電源供電，使得系統(tǒng)可在水面上長時間工作，也為將來加裝太陽能電池板提供了升級空間。

圖1 水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)硬件圖

2.1 傳感器

該系統(tǒng)目前安裝有3類4個水下傳感器，分別是下行/上行PAR傳感器、濁度計及深度計。系統(tǒng)仍有相當(dāng)多的冗余通道可用于安裝其他類型水下傳感器。

PAR傳感器選用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-192SA型光量子傳感器(Φ31.8×46.2mm)，其探頭精度高，完全校準(zhǔn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所標(biāo)準(zhǔn)的±5%；線性度最大偏差僅為1%；穩(wěn)定性為一年內(nèi)變化小于±2%；反應(yīng)時間為10 μs；溫度依賴最大為±0.15%/℃；經(jīng)余弦修正，45°仰角內(nèi)全周方位角誤差小于±1%；測試水深最大為560 m。2個LI-192SA型傳感器分別用于測試太陽光入水后折射形成的下行輻射和經(jīng)下層水體反射形成的上行輻射。

濁度計選用英國CTG公司生產(chǎn)的UniLux單參數(shù)熒光計（Φ26.5×105mm），其動態(tài)測量范圍為 0～200 FTU；測試精度小于 0.04 FTU；采樣頻率為1～3 Hz；模擬輸出電壓為0～5 V；測試水深最大為600 m。

深度計選用國產(chǎn) PTJ301型投入式水位傳感器，100 m量程內(nèi)的綜合精度為 0.2%FS；模擬輸出電壓為0～5 V；長期穩(wěn)定性為每年 0.1%FS；在機(jī)械振動頻率為20～1 000 Hz范圍內(nèi)，其輸出變化小于0.1%FS。

傳感器固定安裝于鋁合金支架，并隨之吊放至水下，扁平的布放結(jié)構(gòu)可減少垂直方向橫截面積，降低水阻力，有效減小支架陰影產(chǎn)生的測量誤差。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

該系統(tǒng)選用國產(chǎn)EM-9636BD型多功能 16 bit數(shù)據(jù)采集卡，誤差小于 0.02%；數(shù)據(jù)接口為 10/100 M以太網(wǎng)接口，支持TCP/IP協(xié)議；緩沖區(qū)為 8 Mbit，主動上傳，自動重發(fā)；采樣頻率最大為250 kHz；可選多種模擬信號(A/D)輸入范圍，本系統(tǒng)為0～5 V；A/D通道為單端 32路/雙端16路；D/A通道為4路；支持3路脈寬調(diào)制輸出（Pulse-Width Modulation，PWM）；DI/DO通道為16路；工作溫度范圍為-20℃～70℃。

2.3 升降機(jī)構(gòu)

系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)用于吊放/回收傳感器及其支架，步進(jìn)電機(jī)的控制電流由驅(qū)動器提供，通過柔性聯(lián)軸器與繞纜卷筒聯(lián)接構(gòu)成小型絞車，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速即實現(xiàn)傳感器在水中升降及速度調(diào)節(jié)。其中，電機(jī)選用國產(chǎn)86型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，技術(shù)指標(biāo)及要求：防水等級為IP68；保持力矩為2.8 N·m；步距角為1.8°。步進(jìn)電機(jī)有3種控制信號，包括啟停信號、方向信號及速度脈沖信號，分別由數(shù)據(jù)采集卡的DO通道和PWM通道輸出。傳感器升降的速度可按照下式計算得到：

式中：v為升降速度，θ為步進(jìn)電機(jī)步距角，f為 PWM脈沖頻率，D為繞纜卷筒直徑，n為繞纜圈數(shù)（0，1，2，3…），d為繞纜直徑。

2.4 無線網(wǎng)橋傳輸

傳感器信號經(jīng)金屬導(dǎo)線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，不可避免地受到電磁干擾和信號衰減的影響，且電纜成本較高，而水上架纜和維護(hù)更為困難。無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)是解決上述問題的理想方案，它可將相距數(shù)百米至數(shù)十千米不等的兩個或多個獨立的無線局域網(wǎng)段與有線局域網(wǎng)段進(jìn)行物理介質(zhì)層(Media Access Control，MAC層)互聯(lián)。無線網(wǎng)橋的工作方式有3種，分別是點對點、點對多點及中繼連接，支持 802.11b/g/n(2.4 GHz頻段)協(xié)議和 802.11a (5.8 GHz頻段)協(xié)議，傳輸速率理論上高達(dá) 300 Mb/s，可以滿足視頻級無線傳輸需求[4]。進(jìn)行水面測試時，無線網(wǎng)橋比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)連接方式更具優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)無線網(wǎng)橋適用于室外條件，且江河湖海等水體表面無高大的障礙物，可獲得最佳的數(shù)據(jù)傳輸效果；

(2)無線網(wǎng)橋在覆蓋范圍內(nèi)抗干擾能力強(qiáng)，基本沒有信號衰減，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿撸?/p>

(3)配合全向天線組成無線接入點，監(jiān)控點可以自由選擇位于船上或岸上，無需考慮水上測試平臺的朝向；

(4)網(wǎng)絡(luò)配置時間短，配對成功后上電即可自動識別連接，且出現(xiàn)故障時只需維護(hù)兩端無線網(wǎng)橋設(shè)備即可，能快速解決問題。

本系統(tǒng)選用國產(chǎn)AOK-2412型無線網(wǎng)橋及2根16 dBi全向天線作為無線接入點AP，選用AOK-2415型無線網(wǎng)橋作為站(Station)，工作頻段為2.4 GHz，設(shè)置為點對點收發(fā)模式，信道帶寬為40 MHz，覆蓋范圍為3～5 km。為避免周邊同頻率無線設(shè)備的干擾，可適當(dāng)選擇或更改信道。AP端的供電由前述12 VDC鋰電池提供，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線與數(shù)據(jù)采集卡相連；Station端的供電由 24 VDC/ POE（Power Over Ethernet，以太網(wǎng)供電）模塊提供，數(shù)據(jù)接入計算機(jī)RJ45接口，如圖2所示。

圖2 無線網(wǎng)橋傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW平臺和Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行開發(fā)。

3.1 Modbus/TCP協(xié)議

Modbus/TCP協(xié)議是開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)模式進(jìn)行報文傳輸，該模式下包括4種基本類型報文，分別是“請求”、“指示”、“響應(yīng)”和“證實”?？蛻魴C(jī)首先發(fā)送啟動事務(wù)處理的請求，服務(wù)端接收到該指示后發(fā)出響應(yīng)，執(zhí)行動作，客戶機(jī)接收到響應(yīng)后給出證實。

與一般的 Modbus協(xié)議不同，Modbus/TCP使用了一種專用報文頭識別 Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，即 MBAP（Modbus Application Protocol）報文頭[5]。MBAP報文頭占用 7個字節(jié)，分為 4個域：事務(wù)元標(biāo)識符(2 bit，識別待處理事務(wù))、協(xié)議標(biāo)識符(2 bit，取 0)、長度(2 bit，標(biāo)識之后的字節(jié)數(shù))和單元標(biāo)識符(1 bit，識別串行鏈路或其他總線上的遠(yuǎn)程從站)。MBAP報文頭之后是功能碼和數(shù)據(jù)段，功能碼用于區(qū)別該指令要執(zhí)行的動作，數(shù)據(jù)段包括起始地址和輸入/輸出值。TCP/IP協(xié)議可保證數(shù)據(jù)包正確傳遞，因此 Modbus/TCP協(xié)議幀沒有校驗域。舉例說明，需要讀取數(shù)據(jù)采集卡A/D通道1的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)廠家定制該命令的功能碼為0x03，A/D通道1的寄存器地址為0x100，則該動作的請求和應(yīng)答指令如圖3所示。其中，0x8000為響應(yīng)后的A/D通道1數(shù)據(jù)值。

圖3 Modbus/TCP上的請求/響應(yīng)舉例

3.2 LabVIEW軟件實現(xiàn)

利用LabVIEW平臺的TCP基礎(chǔ)函數(shù)庫，如“TCP open connection.vi”、“TCP close connection.vi”、“TCP write.vi”和“TCP read.vi”等子vi，即可實現(xiàn)本系統(tǒng)的Modbus/TCP通信。設(shè)置命令端口為8000，數(shù)據(jù)端口為8001，數(shù)據(jù)采集卡的IP地址為192.168.1.26，計算機(jī)的IP設(shè)為192.168.1.*，即除數(shù)據(jù)采集卡占用IP外的其他任意地址。將數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)的網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼都設(shè)置為 192.168.1.1和255.255.255.0。

該遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)軟件的主體結(jié)構(gòu)是采用3個并行的while循環(huán)作為框架，結(jié)合多個事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，主要包括數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、參數(shù)設(shè)置及電機(jī)控制等6個主要模塊。

軟件的運(yùn)行流程是，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置并打開TCP連接，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的參數(shù)后即可開始采集數(shù)據(jù)。進(jìn)入電機(jī)控制界面，啟動電機(jī)并以設(shè)定的轉(zhuǎn)速和方向動作。數(shù)據(jù)采集開始后，可隨時保存數(shù)據(jù)至計算機(jī)內(nèi)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，即可停止電機(jī)并關(guān)閉TCP連接。

4 結(jié)束語

本文以虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW為平臺，應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和Modbus/TCP通信技術(shù)搭建了一套無線遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)。通過實際測試，本系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)光合有效輻射等水下參數(shù)的實時采集、顯示和存儲，能夠控制傳感器在水中的升降。采用無線網(wǎng)橋的無線傳輸能力取代傳統(tǒng)的有線連接，降低了系統(tǒng)搭建成本，同時使得水上測試不再受環(huán)境、空間和距離的限制，進(jìn)一步提高了安全性。

[1]GALLO K P，DAUGHTRY C S T，BAUER M E.Spectral estimation of absorbed photosynthetically active radiation in corn canopies[J].Remote Sensing of Environment，1985，17 (85)：221-232.

[2]董泰鋒，蒙繼華，吳炳方，等.光合有效輻射(PAR)估算的研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2011，30(9)：1125-1134.

[3]張運(yùn)林，秦伯強(qiáng).太湖地區(qū)光合有效輻射(PAR)的基本特征及其氣候?qū)W計算[J].太陽能學(xué)報，2002，23(1)：118-123.

[4]曹恒，梅凱，姜崇，等.基于無線網(wǎng)橋的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(6)：44-47.

[5]GB/T 19582.3-2008.基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范第 3部分：Modbus協(xié)議在TCP/IP上的實現(xiàn)指南[S]. 2008.

Remote data acquisition system for water photosynthetically available radiation based on wireless bridge

Song Tingting1，Luo Ruilong1，2
(1.Shanghai Engineering Research Center of Hadal Scicence and Technology，Shanghai 201306，China；2.Hadal Science and Technology Research Center，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

A new remote data acquisition(DAQ)system for underwater photosynthetically available radiation measurement and remote monitor is described in this paper.The system was developed with LabVIEW platform.The high definition EM-9636BD DAQ card was used to collect multiple water parameters with acquisition rate up to 250 kHz and control the sensors′vertical speed with a step motor,simultaneously.The system adopted a pair of wireless bridge with low price which can transmit data to the computer monitor 3 to 5 km away.The test results show the system has a high reliability and good safety performance.

wireless bridge；LabVIEW；photosynthetically available radiation；remote data acquisition

TP206.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.023

宋婷婷，羅瑞龍.基于無線網(wǎng)橋的水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(3)：81-83.

英文引用格式：Song Tingting，Luo Ruilong.Remote data acquisition system for water photosynthetically available radiation based on wireless bridge[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：81-83.

2015-11-11）

宋婷婷（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向：水下測試技術(shù)。

上海市青年教師培養(yǎng)資助計劃（A1-2035-15-0021-30）；上海海洋大學(xué)博士啟動基金（2013）；上海海洋大學(xué)科技發(fā)展專項基金（A2-0209-14-200065）

羅瑞龍（1986-），通信作者，男，博士，講師，主要研究方向：計算機(jī)控制技術(shù)、機(jī)電液一體化技術(shù)，E-mail：rlluo@ shou.edu.cn。