極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標系統(tǒng)低功耗設計與實現(xiàn)

饒開友, 紀旭鵬, 陳健梅, 李 濤, 董永軍, 孫 超, 張洪彬, 姚 楠, 郭景富

?

極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標系統(tǒng)低功耗設計與實現(xiàn)

饒開友1, 2, 紀旭鵬3, 陳健梅1, 2, 李 濤3, 董永軍1, 2, 孫 超1, 2, 張洪彬1, 2, 姚 楠1, 2, 郭景富1, 2

(1. 東北師范大學 物理學院, 吉林 長春 130024; 2. 吉林省先進能源開發(fā)與應用創(chuàng)新重點實驗室, 吉林 長春 130024; 3. 中國海洋大學 海洋與大氣學院, 山東 青島 266100)

針對極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標長期穩(wěn)定獲取極區(qū)水文和氣象數(shù)據(jù)的工作需求, 進行了浮標系統(tǒng)的低功耗方案設計。該方案基于超低功耗51系列微處理器, 根據(jù)最低功耗工作模式與最短工作時間原則, 采用高效的電源管理機制對浮標系統(tǒng)各個部分的能量消耗進行合理的分配與管理, 并應用了Argos衛(wèi)星通訊模塊ARGOS-3 PMT-RFM的BPSK調(diào)制低速數(shù)據(jù)傳輸模式, 可有效降低浮標系統(tǒng)的整體能耗。該浮標在北極冰站上長達1年的運行情況表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定, 所采用的低功耗能量管理方案實現(xiàn)了浮標系統(tǒng)長期連續(xù)觀測的需求。該浮標的成功試驗和推廣應用有助于極地研究人員更準確地分析海冰變化過程。

低功耗; 剖面浮標; 微處理器; 能量管理; ARGOS-3衛(wèi)星通訊

近年來, 愈演愈烈的全球氣候變化導致的極區(qū)海冰及冰蓋變化加速[1], 包括中國在內(nèi)的世界各國對氣候敏感的南北極區(qū)域的關注度日益增加。利用浮標觀測系統(tǒng)獲取極區(qū)海洋水文氣象數(shù)據(jù)是研究海冰快速變化過程進而預測全球氣候變化的重要手段[2]。冰基剖面浮標是在ARGO (Array for Real-time Geostrophic Oceanography)計劃背景下發(fā)展而來的專門針對極區(qū)海冰條件及惡劣氣候環(huán)境獲取冰下海洋數(shù)據(jù)的儀器[3-4]。冰基剖面浮標不同于普通的極區(qū)冰上浮標表現(xiàn)在: 數(shù)據(jù)量需求大, 機械結構及運行程序復雜, 整體功耗偏大。因此為保證剖面浮標系統(tǒng)長期穩(wěn)定獨立運行, 需進行合理的低功耗方案設計。

國際上極區(qū)海洋剖面浮標應用較為廣泛的是美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)研制的ITP(Ice-Tethered Profiler)浮標以及加拿大Metocean公司與日本海洋地球科技中心聯(lián)合研制的POPS(Polar Ocean Profiling System)系統(tǒng)[5-6]。這兩套浮標系統(tǒng)的主要優(yōu)點是下潛深度大、采集數(shù)據(jù)多、設計壽命長等, 存在的問題是體積重量大、制作及布放成本高, 同時這兩套系統(tǒng)的剖面浮標爬升方式限制了其冰下海洋最上層水文數(shù)據(jù)的采集。

受限于極地科考條件以及儀器開發(fā)布放成本, 國內(nèi)關于海洋剖面浮標的研究主要集中在近海開闊性海洋監(jiān)測領域, 幾種不同類型的技術應用包括: 傳感器節(jié)點固定的錨鏈式剖面浮標[7-8]、電機驅(qū)動爬升的系纜式剖面測量平臺[9]以及浮力控制的深海垂直剖面觀察系統(tǒng)[10]等。針對極區(qū)冰下海洋剖面的測量, 2003年國家海洋技術中心在北極布放了自行研制的極區(qū)衛(wèi)星跟蹤水文氣象觀測浮標[11], 但該浮標僅能夠獲得3組溫鹽數(shù)據(jù), 不能滿足極地研究的實際需求。目前, 國內(nèi)對于極區(qū)海洋剖面浮標的研究仍處于探索試驗階段。

針對國內(nèi)極區(qū)環(huán)境條件下監(jiān)測儀器技術欠缺的現(xiàn)狀以及對冰下海洋最上層水文信息的研究需求, 東北師范大學與中國海洋大學聯(lián)合設計研制了一種極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標。本文針對該浮標系統(tǒng)需要實現(xiàn)長期連續(xù)觀測的目標, 設計了浮標控制系統(tǒng)的高效電源管理方案, 對浮標系統(tǒng)各功能模塊的能量消耗進行合理的分配與管理, 并采用了Argos衛(wèi)星模塊的低速低功耗數(shù)據(jù)傳輸模式, 可有效降低該浮標系統(tǒng)的整體運行功耗, 延長浮標的工作壽命。

1 系統(tǒng)概述

極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標系統(tǒng)主要由冰上浮標、拖曳通訊線纜以及剖面浮標三大部分組成, 其結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構簡圖

冰上浮標集成冰上氣象信息采集、GPS定位信息獲取、系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合處理、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊、剖面浮標工作狀態(tài)控制等主要功能, 核心為STC15系列單片機。剖面浮標以Argo浮標為原型設計, 主要利用CTD(conductance, temperature, depth)傳感器獲取溫度、鹽度及深度等海洋剖面信息, 同樣以STC15系列單片機作為控制器。冰上主機與水下從機通過一條長為125 m的定制通信線纜相連接, 并以RS-485數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行主從機之間的數(shù)據(jù)傳輸。

浮標系統(tǒng)正常工作時, 從機對剖面浮標在不同深度采集到的剖面信息進行初步處理后打包發(fā)送至主機, 主機對接收到的剖面信息進行篩選并將最有價值的數(shù)據(jù)打包成衛(wèi)星傳輸所需要的格式發(fā)送給衛(wèi)星通訊模塊, 衛(wèi)星通訊模塊根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)相關設置自主向遠程地面中心發(fā)送數(shù)據(jù)。對于冰上浮標采集到的氣象數(shù)據(jù)及GPS信息, 采用單獨打包的方式發(fā)送, 避免與剖面數(shù)據(jù)混淆。

2 低功耗方案設計

極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標系統(tǒng)的低功耗設計需分析該系統(tǒng)的主要耗能形式, 主要為控制器能耗、外圍傳感器工作能耗、剖面浮標泵油電機能耗以及衛(wèi)星通信能耗。由于主從機控制器分別控制著各自相關的模塊工作, 因此主機控制系統(tǒng)與從機控制系統(tǒng)的電源管理采用不同的方式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)功耗較高, 工作模式多樣, 這里單獨提出分析設計其低功耗工作模式。

2.1 主機低功耗設計

主機控制系統(tǒng)以STC15系列單片機為核心, 其與外圍模塊連接關系如圖2所示。

圖2 主機控制系統(tǒng)結構示意圖

STC15系列單片機具有高速、寬電壓、低功耗、抗干擾等特點, 典型工作電流為2.7~7 mA, 有低速、空閑、停機(休眠)三種低功耗電源管理模式, 其中休眠模式的典型功耗小于0.1μA。進入休眠模式后, 單片機可由外部中斷以及串口接收管腳電平變換喚醒, 喚醒后從上次設置單片機進入休眠模式語句的下一條語句開始往下執(zhí)行[12]。

數(shù)字化檔案的文種形式、載體形式、表達形式都具有多樣性，因此數(shù)字化檔案信息具有多源異構的特點，要建立統(tǒng)一的檔案信息關聯(lián)模型，需要分別采用不同的特征提取方法對多種類型的檔案進行特征提取，其中特征信息可能包括時間、人物、地點、類型、保管期限、著錄機構等。有的特征信息可以通過著錄項獲取，有的特征信息需要使用模式識別等人工智能技術從檔案內(nèi)容中提取，這些特征信息都是檔案的屬性數(shù)據(jù)，不同的屬性數(shù)據(jù)分屬不同的特征視圖，將提取到的特征按照不同的視圖分別構建特征關聯(lián)圖，再使用數(shù)據(jù)融合技術融合多個視圖下的特征關聯(lián)圖，最終得到檔案信息關聯(lián)模型。為了描述方便，對檔案關聯(lián)模型中的基本元素進行如下定義：

以STC15單片機為核心的主機控制系統(tǒng)根據(jù)不同數(shù)據(jù)時序密度要求進行數(shù)據(jù)的采集、打包、發(fā)送工作, 并按照自由設定的時間對從機進行喚醒操作。如圖2結構所示, 對于外圍傳感器和其他非連續(xù)工作器件均由主控制器通過電源芯片控制其供電端, 工作時進行供電, 不工作及時掉電處理。主控制系統(tǒng)在完成設定的工作程序之后將進入空閑時段, 此時除電源芯片及時鐘芯片等必要器件之外的外圍部分均處于掉電狀態(tài), 單片機進入休眠模式將控制器的工作能耗降到最低水平, 下次喚醒方式為時鐘芯片產(chǎn)生的鬧鐘作為單片機的外部中斷事件觸發(fā)喚醒。

2.2 從機低功耗設計

從機控制系統(tǒng)主要功能為控制剖面浮標的上升下潛動作以及處理CTD傳感器采集的溫鹽深數(shù)據(jù), 并與主機之間進行數(shù)據(jù)通信。從機控制系統(tǒng)的結構示意圖如圖3所示。

圖3 從機控制系統(tǒng)結構示意圖

從機控制系統(tǒng)同樣以STC15系列單片機為控制器。剖面浮標采用美國海鳥公司的SBE41型CTD傳感器, 其工作電壓范圍為7~16 V, 采樣時的峰值電流為350 mA(工作電壓12 V)。泵油電機的額定電壓為24 V, 額定電流120 mA。由于CTD傳感器在較大深度范圍內(nèi)連續(xù)工作以及剖面浮標泵油電機工作的高能耗, 導致剖面浮標的整體運行功耗偏大, 因此以剖面浮標為載體的從機控制系統(tǒng)工作周期為12 h, 單片機大部分時間保持為休眠模式。為保證剖面信息采集時主從機的工作同步, 從機控制器喚醒方式為串口接收管腳喚醒, 即由主機控制系統(tǒng)通過RS-485總線發(fā)送喚醒命令。

剖面浮標的初始狀態(tài)為下降到設計要求的水下最深處保持休眠, 并由冰上浮標拖曳跟隨海冰運動。為縮短剖面浮標的工作時間降低系統(tǒng)功耗, 設計從機控制系統(tǒng)的工作流程為: 從機被喚醒后控制泵油電機正轉從泵向油囊排油, 剖面浮標未上浮之前, 控制器給CTD供電, CTD采集深度信息; 剖面浮標因浮力增加而自行上浮, CTD開始采集溫鹽深數(shù)據(jù); 油囊充滿后, 泵油電機自動停轉, 剖面浮標繼續(xù)上升至冰下海水最淺處; 剖面浮標上浮過程與水文數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送至主機過程同步進行; 當剖面浮標上升到頂時, 從機與主機之間的同步數(shù)據(jù)傳輸斷開, 主從機控制系統(tǒng)分別開始獨立工作; 從機控制CTD傳感器掉電, 泵油電機反轉收油; 當油囊收油完成時, 泵油電機自動停轉, 從機控制除電源芯片、RS-485芯片之外的外圍電路處于掉電狀態(tài), 從機控制器直接進入休眠模式; 剖面浮標依靠自身重力繼續(xù)下潛到最深處, 等待下次喚醒。在這種工作模式下, 剖面浮標每次工作時間保持在30 min以內(nèi), 其他時間均處于功耗極低的休眠狀態(tài)。

2.3 衛(wèi)星通信低功耗設計

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是無蜂窩網(wǎng)絡覆蓋的遠程監(jiān)測系統(tǒng)不可或缺的一部分, 在遠洋觀測浮標中有廣泛的應用[13]。目前, 較為著名的移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)有銥星、海事衛(wèi)星、歐星、Argos等幾種, 但適用于極區(qū)高緯度條件且應用較多的只有銥星和Argos衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩種。Argos系統(tǒng)屬于極軌衛(wèi)星系統(tǒng), 能夠在低軌道覆蓋南北極以及赤道等高中低緯度地區(qū), 具有較大的應用范圍與較低的通訊功耗[14]。鑒于功耗與成本優(yōu)勢, 對于數(shù)據(jù)量與實時性要求不高的低成本浮標通常將Argos系統(tǒng)作為衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊的首選系統(tǒng)。本文選取第三代Argos系統(tǒng)衛(wèi)星通訊終端ARGOS-3 PMT-RFM作為極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標的衛(wèi)星通信模塊, 并討論衛(wèi)星通信系統(tǒng)的低功耗方案。

ARGOS-3 PMT-RFM為雙向數(shù)據(jù)傳輸終端, 即除通過衛(wèi)星向地面中心傳送數(shù)據(jù)外也可接收用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)命令。數(shù)據(jù)傳輸模式分為高、低速兩種模式, 單條信息格式有多種, 可滿足不同用戶需求。ARGOS-3 PMT-RFM正常工作狀態(tài)分為睡眠和數(shù)據(jù)傳輸兩種狀態(tài), 通過計算Argos星座6顆有效衛(wèi)星的過頂時間自動與衛(wèi)星握手進行狀態(tài)切換。當電源電壓為7 V時, 模塊在睡眠狀態(tài)下的電流僅為90 μA。數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)又分為高速數(shù)據(jù)發(fā)送、低速數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收三種模式, 其中高速數(shù)據(jù)發(fā)送模式平均功率為181.60 mW, 低速數(shù)據(jù)發(fā)送模式平均功率為52.33 mW, 數(shù)據(jù)接收模式的平均電流為85 mA[15]。

由于衛(wèi)星模塊、電機、芯片、傳感器等系統(tǒng)部件額定功耗無法降低, 因此通過對部件的合理選型、利用器件的低功耗工作模式以及優(yōu)化電源管理來降低系統(tǒng)的工作能耗為本文低功耗設計重點。應用本文低功耗電源管理模式所設計的浮標系統(tǒng)低功耗工作流程如圖4所示。

圖4 浮標系統(tǒng)低功耗工作流程圖

3 低功耗方案測試與驗證

在完成極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標系統(tǒng)低功耗方案設計之后, 分兩步對該方案進行測試與驗證: 首先是在實驗室組裝應用該低功耗方案的浮標系統(tǒng)并測試實際功耗, 計算預測浮標工作壽命; 第二步是在北極實地布放該套浮標系統(tǒng)之后, 實時監(jiān)測浮標系統(tǒng)的工作狀態(tài), 以驗證本文低功耗方案的適用性。

3.1 浮標系統(tǒng)功耗測試

應用本文低功耗方案的極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標組裝實物圖如圖5所示。

浮標系統(tǒng)各部分在不同工作狀態(tài)下的實際功耗受多種因素影響, 如單片機工作模式與休眠模式下的功耗不同, 泵油電機與CTD在不同深度下所受壓力不同導致的功耗不同, 因此難以通過器件的額定功耗對系統(tǒng)工作時長進行準確的計算。通過對浮標系統(tǒng)主從機進行實際聯(lián)調(diào)測試可獲得系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的平均工作電流, 進而根據(jù)電池組的容量可對系統(tǒng)工作時長進行估算。實驗測試單次不同狀態(tài)下冰上浮標與水下剖面浮標的平均電流如表1所示。

圖5 極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標組裝實物

實驗室測試與極區(qū)實地工作的區(qū)別在于衛(wèi)星過頂時間、電磁干擾、海水壓力、低溫環(huán)境等各項環(huán)境指標的不同。本文浮標系統(tǒng)的供電鋰電池采用一次鋰亞硫酰氯功率型電池ER34615M, 其在–30℃的低溫天氣下百毫安放電時的實際有效容量約為常溫下的60%, 即溫度對浮標系統(tǒng)的實際工作時長影響較大。由于極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標工作時長的設計要求為一年, 考慮電池效率、環(huán)境因素以及設計冗余量, 利用實驗室有限條件下的測試數(shù)據(jù)計算得到的系統(tǒng)工作時長應比浮標設計要求高出50%。冰上浮標配備電源為14.4 V的鋰電池, 電池組容量為156 Ah。剖面浮標由于驅(qū)動電機的需要, 標配電源為28.8V的鋰電池, 電池組容量為221 Ah。若以每12 h采集一次剖面數(shù)據(jù)以及每小時采集一次氣象數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集密度作為計算標準, 則由實驗室測試得到的系統(tǒng)各個狀態(tài)下平均電流計算得到的冰上浮標單日功耗近似為0.81 Wh, 剖面浮標單日功耗近似為5.78 Wh, 據(jù)此結合實際功耗損失估算實驗室狀態(tài)下浮標系統(tǒng)的工作時長為18個月, 滿足設計要求。

表1 浮標系統(tǒng)不同狀態(tài)下冰上浮標與剖面浮標的平均電流

3.2 北極現(xiàn)場布放

2015年8月, 兩套應用本文低功耗方案的極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標由中國海洋大學極區(qū)科考人員搭乘韓國“Araon”號科考船成功布放在北極楚科奇深海平原附近海域。在后續(xù)連續(xù)監(jiān)測過程中, 1號浮標在穩(wěn)定工作8個月之后由于未知原因停止工作。截止2016年10月31日, 2號浮標運行狀態(tài)一切正常, 仍在持續(xù)回傳各項氣象水文數(shù)據(jù)。由于兩套浮標系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)相同, 考慮北極環(huán)境超低溫、大風、動物破壞等不可抗因素, 其中任意一套浮標系統(tǒng)滿足預期設計要求都能驗證本文低功耗方案的適用性。

本文隨機選取接收到的2號浮標于格林尼治時間2016年9月13日0時至23時在北極東西伯利亞海域(77°14′14.7″N 165°25′03.9″E)發(fā)送的24組氣象數(shù)據(jù)(圖6)以及當日1時33分發(fā)送的一組剖面數(shù)據(jù)(圖7)進行簡單分析。

由圖6可知, 當日浮標所在位置的氣象狀況在0時至14時期間變化平穩(wěn), 之后則出現(xiàn)劇烈波動。–3℃左右的溫度基本符合該地區(qū)9月份氣象特征, 說明冰上浮標運行正常。從圖7剖面數(shù)據(jù)可看到在水下30 m以內(nèi)海水溫度與鹽度變化較小, 30 m之后則有一個較大幅度的上升, 基本符合極區(qū)海洋水文特征, 表明剖面浮標運行正常。剖面數(shù)據(jù)僅采集到水下80多米, 考慮為大風天氣下冰層與海水的相對運動導致的拖拽現(xiàn)象, 因此剖面浮標無法下沉至設計最深處。

圖6 氣象數(shù)據(jù)曲線圖示例

圖7 海洋剖面數(shù)據(jù)曲線圖示例

為了繼續(xù)測試極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標的穩(wěn)定性并獲取更多的極區(qū)氣象水文數(shù)據(jù), 第二批次規(guī)格相同的兩套浮標系統(tǒng)已于2016年8月中旬在北極成功布放, 相關數(shù)據(jù)在持續(xù)監(jiān)測中。

4 結論

本文針對冰基拖曳式海洋剖面浮標的長時間連續(xù)運行觀測的需求, 設計了以STC15系列單片機為控制器的主從機控制系統(tǒng)的高效電源管理方案, 降低了浮標運行控制系統(tǒng)的功耗; 綜合比較選取第三代Argos系統(tǒng)的衛(wèi)星通訊終端ARGOS-3 PMT-RFM并采用遠程低速單向數(shù)據(jù)傳輸模式, 降低了系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信功耗。實驗室測試與極區(qū)實地運行結果表明: 該極區(qū)冰基拖曳式海洋剖面浮標系統(tǒng)的低功耗能量管理方案實現(xiàn)了該浮標系統(tǒng)在極區(qū)環(huán)境中的長期穩(wěn)定運行的預定目標。

[1] 陳立奇, 高眾勇, 詹力揚, 等. 極區(qū)海洋對全球氣候變化的快速響應和反饋作用[J]. 應用海洋學學報, 2013, 32(1): 138-144.Chen Liqi, Gao Zhongyong, Zhan Liyang, et al. Rapid change in arctic and antarctic oceans and their feedbacks to global climate change[J]. Journal of Applied Oceanography, 2013, 32(1): 138-144.

[2] 郭井學, 孫波, 李群, 等. 極地海冰浮標的現(xiàn)狀與應用綜述[J]. 極地研究, 2011, 23(2): 149-157. Guo Jingxue, Sun Bo, Li Qun, et al. Application and development of the buoys based on polar sea ice[J]. Chinese Journal of Polar Research, 2011, 23(2): 149-157.

[3] Roemmich D, Johnson G C, Riser S, et al. The Argo Program: observing the global ocean with profiling floats[J]. Oceanography, 2009, 22(2): 34-43.

[4] Toole J M, Krishfield R A, Timmermans M-L, et al. The Ice-Tethered Profiler: Argo of the Arctic[J]. Oceanography, 2011, 24(3): 126-135.

[5] Krishfield R, Toole J, Proshutinsky A, et al. Automated Ice-Tethered Profilers for seawater observations under pack ice in all seasons[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2008, 25: 2091-2105.

[6] Kikuchi T, Inoue J, Langevin D. Argo-type profiling float observations under the Arctic multiyear ice[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2007, 54: 1675-1686.

[7] 劉長華, 王春曉, 賈思洋, 等. 基于10米浮標載體的錨鏈式剖面觀測系統(tǒng)實踐之一——自容式采集方式[J]. 海洋科學, 2016, 40(8): 94-99. Liu Changhua, Wang Chunxiao, Jia Siyang, et al. Anchor chain-type profiling observation system based on 10m buoy—self contained acquisition mode[J]. Marine Sciences, 2016, 40(8): 94-99.

[8] 張曉芳, 賈思洋, 張曙偉, 等. 海洋垂直剖面水溫實時監(jiān)測浮標系統(tǒng)研制與應用[J]. 海洋科學, 2016, 40(5): 109-114.Zhang Xiaofang, Jia Siyang, Zhang Shuwei, et al. Research and application of real-time monitoring buoy system for marine water temperatures of vertical profiles[J]. Marine Sciences, 2016, 40(5): 109-114.

[9] 李墨, 李永軍. 系纜式剖面測量平臺的試驗及分析[J].海洋技術, 2008, 27(2): 1-4. Li Mo, Li Yongjun. Test and analysis of moored profilers[J]. Ocean Technology, 2008, 27(2): 1-4.

[10] 杜亮.深海垂直剖面實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術, 2014, 37(1): 107-109. Du Liang. Design and implementation on the real-time measurement system for deep-sea vertical section[J]. Modern Electronics Technique, 2014, 37(1): 107-109.

[11] 熊焰, 張文良, 崔琳.極區(qū)衛(wèi)星跟蹤浮標在北極科學考察中的應用[J]. 海洋技術, 2004, 23(2): 54-57. Xiong Yan, Zhang Wenliang, Cui Lin. The application of polar satellite-tracing hydro-meteorological automatic observing buoy in the second Chinese arctic research expedition[J]. Ocean Technology, 2004, 23(2): 54-57.

[12] 宏晶科技有限公司. STC15F2K60S2系列單片機器件手冊[R]. 南通: 宏晶科技有限公司, 2014.

[13] 鮑捷. Argos衛(wèi)星通信系統(tǒng)在北極海冰浮標中的應用研究[D].長春: 東北師范大學, 2012. Bao Jie. Application and study on Arctic Sea Ice Buoys of Argos satellite communication system[D]. Changchun: Northeast Normal University, 2012.

[14] 宋飛, 馮旭哲. Argos系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 海洋預報, 2012, 29(6): 98-102. Song Fei, Feng Xuzhe. Present status and development trend of Argos system[J]. Marine Forecasts, 2012, 29(6): 98-102.

[15] CLS. PMT RFM–YTR-3000 user manual release 1.6[R].France: CLS, 2008.

(本文編輯: 劉珊珊)

Design and implementation of the low-power management scheme for the Polar Drift-Towing Ocean Profiler

RAO Kai-you1, 2, JI Xu-peng3, CHEN Jian-mei1, 2, LI Tao3, DONG Yong-jun1, 2, SUN Chao1, 2, ZHANG Hong-bin1, 2, YAO Nan1, 2, GUO Jing-fu1, 2

(1. School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China; 2. Key Laboratory of Advanced Energy Development and Application, Changchun 130024, China; 3. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Thepolar drift-towing ocean profiler is required to work for a long time in order to obtain more hydro-meteorological information about the polar region. Therefore, to address this, a low-power scheme for the buoy system is designed in this paper. The application of efficient energy management with the 51 series micro control unit at its core contributes to reasonable power distribution which is in accordance with the principle of the minimum-power operation mode and the shortest possible working time. The Argos module (ARGOS-3 PMT-RFM) is used to provide low-speed data transmission by BPSK modulation. Consequently, the overall power consumption of the buoy system is reduced effectively.The operation of the buoy system for one year in the floating ice of the Arctic shows that the system has been working with stability, and that the low-power management scheme has fulfilled the requirements of long-term observation for the buoy system. The successful testing and application of the buoy is useful for polar researchers making more accurate analyses of the change processes of sea ice.

low power; profiler; micro control unit; power management; ARGOS-3

Dec. 19, 2016

饒開友(1991-), 男, 江西九江人, 碩士研究生, 研究方向為海洋監(jiān)測技術及嵌入式系統(tǒng), 電話: 17090409257, E-mail: raoky290@nenu.edu.cn; 郭景富,通信作者, 博士, 教授, 研究方向為應用物理及海洋監(jiān)測技術, E-mail: guojf217@nenu.edu.cn

P715.2

A

1000-3096(2017)09-0027-07

10.11759/hykx20161219002

2016-12-19;

2017-03-06

吉林省省級產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新專項資金項目(2016C059); 國家海洋能專項資金項目(GHME2016YY03)

[Industrial Innovation Special Foundation of Jilin Province, No.2016C059; National Marine Energy Special Foundation of China, No.GHME2016YY03]