近海海洋信息實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉培學(xué), 閆 東, 董 麗, 陳玉杰

近海海洋信息實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉培學(xué)1, 閆 東2, 董 麗1, 陳玉杰1

(1. 青島黃海學(xué)院, 山東 青島 266427; 2. 煙臺(tái)大學(xué), 山東 煙臺(tái) 264005)

近海海洋環(huán)境是最易受污染的區(qū)域, 實(shí)時(shí)對(duì)海洋信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)近海養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)有重要的作用。傳統(tǒng)信息采集方法效率低下、傳輸距離近、能耗高、數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確, 針對(duì)上述問題, 設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)海洋信息采集傳輸系統(tǒng), 采集終端能夠自動(dòng)采集近海海洋環(huán)境的溫度、溶解氧、pH值并通過無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳給岸基協(xié)調(diào)器, 岸基協(xié)調(diào)器可通過提出的二次卡爾曼濾波方法對(duì)信息進(jìn)行濾波處理并由4G網(wǎng)絡(luò)將信息上傳至云平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 系統(tǒng)能夠?qū)：Ｑ蟓h(huán)境進(jìn)行信息實(shí)時(shí)采集, 采集數(shù)據(jù)誤差小, 具有較高的一致性, 功耗低, 用戶可隨時(shí)隨地查看信息。

近海海洋; 信息采集; 無線傳輸; 環(huán)境監(jiān)測(cè)

我國是一個(gè)海洋大國, 大陸海岸線長達(dá)18 000多公里, 近海海洋環(huán)境是海洋最易受污染區(qū)域, 近海岸海洋環(huán)境與人民生活息息相關(guān)[1]。對(duì)近海海洋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè), 對(duì)近海海洋養(yǎng)殖、海洋旅游產(chǎn)業(yè)等具有十分重要的意義[2]。目前, 近海海域的海洋環(huán)境參數(shù)測(cè)量主要采用人工測(cè)量、浮標(biāo)測(cè)量兩種方式。人工測(cè)量時(shí)測(cè)量儀器需要掛到測(cè)量船只上, 測(cè)量員駕駛船只在近海岸巡航測(cè)量, 測(cè)量完一片海域后返航, 到岸后整理數(shù)據(jù); 浮標(biāo)測(cè)量是將測(cè)量裝置放置在浮標(biāo)上, 利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǚ?wù)器, 服務(wù)器接收數(shù)據(jù), 電源部分由電池和光伏板共同供電。兩種方式各有各的缺點(diǎn), 人工測(cè)量不能長期連續(xù)測(cè)量、數(shù)據(jù)有間斷、測(cè)量周期長, 浮標(biāo)測(cè)量耗電量大、傳輸速率慢、成本高, 同時(shí), 近海較復(fù)雜的電磁環(huán)境也容易對(duì)浮標(biāo)測(cè)量的無線傳輸產(chǎn)生干擾。上述問題導(dǎo)致了近海海洋信息監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展緩慢[3-5]。因此, 設(shè)計(jì)一款實(shí)時(shí)海洋信息采集傳輸系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由兩部分組成, 分別是終端數(shù)據(jù)采集模塊和岸基協(xié)調(diào)器模塊。終端數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)近海海洋信息環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集, 采用星型鏈路網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)形成433M網(wǎng)絡(luò), 通過該網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給岸基協(xié)調(diào)器模塊[6-7]。岸基協(xié)調(diào)器包含數(shù)據(jù)顯示模塊、4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等, 能夠接收終端數(shù)據(jù)采集模塊上報(bào)的信息、分類存儲(chǔ)及完成數(shù)據(jù)上報(bào)工作。岸基協(xié)調(diào)器接收收據(jù)后, 首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合, 對(duì)參數(shù)真實(shí)值進(jìn)行最優(yōu)估計(jì), 消除電磁干擾等各種干擾信號(hào)導(dǎo)致的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)及傳感器本身測(cè)量不準(zhǔn)確度帶來的采集誤差, 隨后把數(shù)據(jù)按照溶解氧、溫度、pH值以及數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行分類存儲(chǔ), 同時(shí)通過4G網(wǎng)絡(luò)將信息上傳至云平臺(tái), 供用戶查看, 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)備是實(shí)現(xiàn)海洋信息實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵, 系統(tǒng)由岸基協(xié)調(diào)器和終端采集器兩部分構(gòu)成, 其中, 終端采集器工作在海洋中, 供電是重點(diǎn)需要解決的問題, 因此, 硬件系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)方案, 是本文介紹的重點(diǎn)。

2.1 岸基協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

岸基協(xié)調(diào)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示, 協(xié)調(diào)器由STM32控制器、4G模塊、433M模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊和電源模塊等部分組成。STM32控制器為整個(gè)岸基協(xié)調(diào)器的控制芯片, 4G模塊負(fù)責(zé)信息遠(yuǎn)程通信; 433M模塊實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)和433M網(wǎng)關(guān)之間的有機(jī)結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)端到云的一步傳輸; 顯示模塊采用液晶觸摸屏來顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息和采集觸摸按鍵信息, 實(shí)現(xiàn)客戶端的人機(jī)交互功能, 時(shí)鐘模塊和電源模塊分別提供時(shí)鐘頻率和電源。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 岸基協(xié)調(diào)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制器選擇ARM微控制器STM32F103VGT6, 該處理器是一種32位處理器, 具有1 024 kB的程序存儲(chǔ)器、96 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器, 自帶模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC), 功能強(qiáng)大, 能夠滿足本次設(shè)計(jì)需要。4G模塊采用USR-G780 V2, 支持5模13頻移動(dòng)、聯(lián)通、電信4G高速接入。USR-G780 V2軟件功能完善、使用方便, 通過簡(jiǎn)單的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。該模塊具有高速率、低延時(shí)、極速響應(yīng)快速透?jìng)鞯奶攸c(diǎn), 并且支持TCP Client, TCP Server 和 UDP Client, UDP Server, 支持串口AT指令。433M模塊選用SX1278, 和采集數(shù)據(jù)終端模塊的SX1278進(jìn)行組網(wǎng), 一步到位實(shí)現(xiàn)端到云的無線數(shù)據(jù)傳輸。顯示模塊選用翼盟4.3寸電容觸摸液晶屏LCD模塊, 該模塊屏幕分辨率為800×480, 16位真彩顯示, 采用NT35510驅(qū)動(dòng), 自帶GRAM, 無需外加驅(qū)動(dòng)器, 方便單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)。模塊采用電容觸摸屏, 支持5點(diǎn)同時(shí)觸摸, 操控效果非常好, 本次設(shè)計(jì)中, 4G模塊、433M模塊通信串口分別連接于控制器的第一、第二串口。

2.2 終端采集器設(shè)計(jì)

信息采集終端設(shè)計(jì)重點(diǎn)為低功耗設(shè)計(jì)及各種傳感器校準(zhǔn)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)中MCU選擇為低功耗STM8S105K4T6芯片, 供電電路如圖3所示。S1是貼片開關(guān), C3為濾波電容, C4為退耦電容, TPS78230的5號(hào)引腳是穩(wěn)壓后3.0 V輸出引腳, 3號(hào)腳為使能引腳, 與單片機(jī)的PC6引腳相連, 高電平使能打開, 低電平使能關(guān)閉, 關(guān)閉時(shí)切斷除MCU外的所有電源, 即只有MCU供電且為休眠狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中, 將MCU的AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓設(shè)定為2.5 V, 2.5 V數(shù)字電源由電源管理電路輸出的3 V電源通過TL431穩(wěn)壓輸出(采用TL431直接輸出2.5 V電路)。數(shù)字2.5 V通過10UH的電感轉(zhuǎn)換為2.5 V的模擬電源, 數(shù)字地與模擬地通過0歐電阻相連, 降低相互干擾。

圖3 供電電路圖

溫度采集模塊采用KTR-DS18B20[8], 該傳感器采用不銹鋼管封裝, 防水密閉, 適合在海洋環(huán)境中使用。溶解氧傳感器采用GC-11型傳感器, 輸出信號(hào)電壓范圍為0~10 mV, 測(cè)量范圍為0~30 mg/L, 輸出阻抗約為20 kΩ。pH值傳感器選用了pH復(fù)合電極, 輸出為電壓信號(hào), 零電位為7 pH, 誤差為0.5 pH, 內(nèi)阻≤250 MΩ, 在pH 0~14內(nèi)輸出信號(hào)電壓為線性電壓, 輸出穩(wěn)定, 適用于近海浪涌環(huán)境下工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 岸基協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

岸基協(xié)調(diào)器是上位機(jī)和433M局域網(wǎng)之間聯(lián)系的橋梁, 一方面, 接受上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)操作; 另一方面, 接收采集終端上傳的終端數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波、顯示和上傳處理。岸基協(xié)調(diào)器軟件流程如圖4所示, 系統(tǒng)上電后, 進(jìn)行4G、433M通信模塊初始化、顯示模塊初始化及中斷初始化。通信模塊初始化主要是串口初始化, 進(jìn)行串口波特率的設(shè)置, 建立起串口通信連接。顯示初始化主要是觸摸顯示屏的初始化。中斷初始化主要完成定時(shí)中斷、串口中斷的配置, 方便上位機(jī)對(duì)協(xié)調(diào)器及下位機(jī)的控制命令下達(dá)。初始化工作完成后, 循環(huán)檢測(cè)是否正確接收無線節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù), 如果是, 就進(jìn)行線性預(yù)測(cè)濾波處理并暫時(shí)存儲(chǔ), 線性預(yù)測(cè)采用二次卡爾曼濾波方式, 參數(shù)超標(biāo)則進(jìn)行報(bào)警。然后進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面, 進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及預(yù)警信息的顯示。如果發(fā)生中斷, 分為兩種情況。一種是上位機(jī)發(fā)來的中斷, 需要協(xié)調(diào)器進(jìn)行相關(guān)指令的執(zhí)行; 另一種是定時(shí)中斷, 用戶沒有特殊需求的情況下, 協(xié)調(diào)器通過4G網(wǎng)絡(luò)定時(shí)向上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)。

圖4 岸基協(xié)調(diào)器軟件流程圖

近海環(huán)境復(fù)雜, 電磁干擾嚴(yán)重, 容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤傳及丟失情況, 提出了一種二次卡爾曼濾波方法提高數(shù)據(jù)采集精度, 下面以溶解氧濃度為例分析該方法, 首先分別建立溶解氧濃度的狀態(tài)方程和量測(cè)方程:

(+ 1) =() +(), (1)

(+ 1) =(+ 1) +(+ 1), (2)

其中,(+ 1) 和()分別為+ 1時(shí)刻溶解氧的濃度值和時(shí)刻的濃度值,表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣, 它表示+ 1時(shí)刻濃度值和時(shí)刻濃度值之間的關(guān)系, 海水中溶解氧濃度不能突變, 此處取值1,為系統(tǒng)量測(cè)矩陣, 表示目標(biāo)狀態(tài)變量對(duì)測(cè)量變量的增益, 此處取值為1。(),(+ 1)分別為過程噪聲和量測(cè)噪聲, 一般假設(shè)它們都為均值為零、互不相關(guān)的高斯白噪聲, 方差分別為和, 卡爾曼濾波過程包括狀態(tài)預(yù)測(cè)與狀態(tài)更新兩個(gè)遞推環(huán)節(jié), 描述如下:

狀態(tài)預(yù)測(cè):

求出基于上次濾波值的預(yù)測(cè)值。

預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差為:

求出預(yù)測(cè)的誤差協(xié)方差。

狀態(tài)更新:

(+ 1)為卡爾曼增益,

求出濾波誤差協(xié)方差, 根據(jù)上述公式, 即可完成濾波的遞歸。

公式中的量測(cè)噪聲方差通常是測(cè)量傳感器引起, 相對(duì)比較固定, 因此量測(cè)噪聲方差我們采用固定值, 但是過程噪聲是隨機(jī)的, 采用固定值會(huì)引起濾波不夠精準(zhǔn)或?yàn)V波發(fā)散, 因此采用自適應(yīng)方式。

定義轉(zhuǎn)換坐標(biāo)Kalman濾波中的新息、殘差如下所示:

根據(jù)新息和殘差正交原理有:

根據(jù)新息序列和殘差序列的不相關(guān)性, 公式(10)可以化簡(jiǎn)為:

我們可以在濾波的過程中得到新息序列和殘差序列, 因此可以通過統(tǒng)計(jì)方法得到兩者實(shí)際的方差, 即:

其中,為統(tǒng)計(jì)計(jì)算時(shí)估計(jì)窗口的寬度。則由公式(4)、(11)、(12)、(13)可以得到過程噪聲方差的估計(jì)值為:

在本文中為單位矩陣, 因此可以化簡(jiǎn)為:

由此得出, 過程方差的估計(jì)值, 此值為時(shí)刻應(yīng)該采取的過程方差, 故需利用公式1-4, 采用估計(jì)的跟傳感器的方差進(jìn)行二次濾波, 得到較準(zhǔn)確的線性預(yù)測(cè)值, 溫度、pH值采用類似方法處理。

3.2 采集終端軟件流程

本系統(tǒng)中, 采集終端需要完成對(duì)無線模塊組網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)、校準(zhǔn)狀態(tài)檢測(cè)、校準(zhǔn)值存儲(chǔ)、溫度數(shù)據(jù)讀取、pH值、溶解氧傳感器輸出的電壓值的識(shí)別、轉(zhuǎn)化、計(jì)算、分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)無線發(fā)送以及休眠喚醒等功能。模塊化的軟件設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)更穩(wěn)定、分工明確。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 軟件總體設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化, 初始化完畢后進(jìn)入main函數(shù), 初始化變量; 主頻時(shí)鐘配置為16 MHz, 等待主頻時(shí)鐘穩(wěn)定后開始初始化串口、EEPROM及I/O口, 讀取EEPROM中存儲(chǔ)的pH值和溶解氧傳感器的校準(zhǔn)值, 讀取成功后關(guān)閉EEPROM,開始檢測(cè)無線模塊是否組網(wǎng)成功(當(dāng)無線模塊的狀態(tài)引腳變?yōu)榈碗娖胶蟊硎窘M網(wǎng)成功); 接下來檢測(cè)校準(zhǔn)功能引腳電平是否為低電平, 如果為低電平則執(zhí)行校準(zhǔn)功能程序, 否則直接執(zhí)行下一步, 將運(yùn)行模式標(biāo)志位置位(開機(jī)運(yùn)行一次后進(jìn)入休眠模式), 進(jìn)入運(yùn)行模式; MCU提高運(yùn)行主頻, 打開電源管理芯片使能, 給溫度傳感器、pH值、溶解氧信號(hào)放大電路供電, 喚醒無線模塊, 讓無線模塊處于發(fā)送狀態(tài); 接下來初始化DS18B20, 讀取溫度, 初始化ADC模塊, 開始AD轉(zhuǎn)化, 數(shù)字濾波, 數(shù)值量化, 量化完畢后關(guān)閉ADC, 關(guān)閉電源管理芯片使能; 再給無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包, 發(fā)送完畢后運(yùn)行標(biāo)志位清除, 初始化喚醒I/O口, 配置為外部中斷下降沿觸發(fā)模式, 降低MCU工作主頻, 同時(shí)MCU進(jìn)入休眠模式, 等待外部中斷將其喚醒進(jìn)行一下次信息采集。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)完成軟硬件設(shè)計(jì)后, 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試, 系統(tǒng)測(cè)試分為室外功耗測(cè)試及室內(nèi)誤差測(cè)試兩部分, 首先進(jìn)行室外功耗測(cè)試, 在某近海海域布設(shè)6個(gè)采集終端、1個(gè)岸基協(xié)調(diào)器進(jìn)行測(cè)試, 采樣深度0.5 m, 采樣速率1次/min, 采集終端分布于該海域養(yǎng)殖工作平臺(tái)上, 采集終端與離岸基協(xié)調(diào)器直線距離范圍為200~600 m, 針對(duì)采集終端的電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定, 結(jié)果如表1所示。從表中可以看出, 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)待機(jī)工作電流約為200個(gè)UA, 工作電流約為10 MA, 較之現(xiàn)有設(shè)備幾十至幾百的工作電流有較大幅度的下降。

表1 功耗測(cè)量表

室內(nèi)誤差測(cè)試由專業(yè)測(cè)試機(jī)構(gòu)青島華測(cè)計(jì)量有限公司檢測(cè)給出, 采集誤差結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)測(cè)量誤差

從表2數(shù)據(jù)可以看出, pH值誤差在0.02左右, 溫度誤差不高于0.2, 溶解氧誤差不超過0.04 mg/L, 量測(cè)值與計(jì)量公司標(biāo)準(zhǔn)儀器具有較高的一致性, 其中溫度參數(shù)誤差偏差最大, 誤差滿足海洋觀測(cè)規(guī)范(GB/T14914.2-2019)中規(guī)定的表層海水溫度二級(jí)誤差允許規(guī)范, pH值、溶解氧誤差較小, 滿足一級(jí)誤差允許規(guī)范。對(duì)于每個(gè)采集終端采集誤差, 可采用軟件修正方式進(jìn)行修正, 使顯示值與真實(shí)值更接近。

5 結(jié)束語

基于二次卡爾曼濾波方法, 設(shè)計(jì)了一種近海海洋信息實(shí)時(shí)采集傳輸系統(tǒng), 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)近海海洋參數(shù)的多點(diǎn)、大范圍監(jiān)測(cè)和無線傳輸, 無需復(fù)雜布線, 大大提高了近海海洋信息實(shí)時(shí)采集效率。同時(shí), 系統(tǒng)具有超低功耗特點(diǎn), 適合海上長期工作, 能夠?yàn)榻：Ｑ箴B(yǎng)殖業(yè)、近海旅游業(yè)、近海環(huán)保提供數(shù)據(jù)支撐, 具有較好的應(yīng)用前景。

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Design and implementation of offshore marine forecast information acquisition system

LIU Pei-xue1, YAN Dong2, DONG Li1, CHEN Yu-jie1

(1. Qingdao Huanghai University, Qingdao 266427, China; 2. Yantai University, Yantai 264005, China)

The offshore marine environment is the most easily polluted area. The real-time monitoring of marine information system is important for offshore aquaculture and fisheries. The traditional methods of collecting information on offshore marine environment are inaccurate, inefficient, have slow transmission speed, and require high energy consumption. In the view of these problems, a real-time ocean information acquisition and transmission system is designed. An acquisition terminal automatically collects data on the temperature, dissolved oxygen, and pH values of the offshore marine environment, and transmits the information to the shore-based coordinator using wireless network. The shore-based coordinator filters the information by the proposed secondary Kalman filtering method and uploads the information to the cloud platform using a 4G network. The experimental results show that the system can collect real-time information of offshore marine environment, and the data acquisition error is small. Also, the system has high consistency, but consumes less power than traditional methods. Users can view information anytime and from anywhere.

offshore ocean; information collection; wireless transmission; environmental monitoring

Dec. 25, 2019

TN915.4

A

1000-3096(2020)11-0087-07

10.11759/hykx20191225001

2019-12-25;

2020-07-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61201457); 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019GGX105001、2017GGX201004); 山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目(J18KB163); 山東省教育廳高校科技計(jì)劃項(xiàng)目(J18KA374); 青島黃海學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目(2018KJ05)

[National Natural Science Foundation of China, No. 61201457; Key R&D plan of Shandong Province, Nos. 2019GGX105001, 2017GGX201004; Science and technology project of colleges and universities in Shandong Province, No. J18KB163, No. J18KA374; Project of Qingdao Huanghai University, No. 2018KJ05]

劉培學(xué)(1983-), 男, 山東臨淄人, 副教授, 主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用, 電話: 15865556723; E-mail: 93987898@qq.com

(本文編輯: 康亦兼)