基于ARGOS通信技術(shù)的海冰浮標(biāo)低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈 璐，謝 暉，陳相全，董永軍

（1.吉林建筑大學(xué) 基礎(chǔ)科學(xué)部，吉林 長春 130018；2.東北師范大學(xué) 吉林省先進(jìn)能源開發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130024）

0 引 言

北極地區(qū)作為全球氣候變化響應(yīng)和反饋?zhàn)蠲舾械牡貐^(qū)之一，已成為全球氣候變化研究的關(guān)鍵區(qū)域。近年來，北極地區(qū)正發(fā)生著快速變化。海冰作為北極地區(qū)最重要的組成部分，是北極快速變化評測的關(guān)鍵要素[1]。海冰使地球表面獲取的太陽輻射能顯著減少，極大地影響了海洋與大氣之間的熱、能量以及動(dòng)量的傳遞[2,3]。目前，北極海冰與氣候變化研究中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是北極海冰消融及其對氣候反饋的物理機(jī)制和未來海冰的演變趨勢。北極海冰覆蓋面積和海冰厚度從20世紀(jì)90年代開始減少[4-7]，直接導(dǎo)致海洋吸收太陽輻射能的大幅度增加。這對海冰融化產(chǎn)生了正反饋效應(yīng)，從而嚴(yán)重影響氣候系統(tǒng)的變化[8,9]。作為北半球國家，北極海冰快速變化對我國氣候變化有著直接影響。

人們對北極海冰的研究缺乏有效的觀測手段，通常采用遙感方式研究海冰的面積變化。這種現(xiàn)有的觀測能力只能給出海冰變化的結(jié)果，不能給出海冰變化的具體動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)過程。采用海冰浮標(biāo)監(jiān)測海冰變化是研究北極快速變化原因的重要手段之一。海冰浮標(biāo)早已被廣泛用于跟蹤海冰運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、變形率以及海冰形態(tài)的時(shí)空變化等多方面的研究[10,11]。海冰浮標(biāo)獲取的海冰運(yùn)動(dòng)、表面溫度以及風(fēng)速等實(shí)測數(shù)據(jù)，對極地大氣模式的分析和驗(yàn)證具有重要作用[12]。然而，由于多種原因，目前布放于北極的海冰浮標(biāo)使用壽命普遍偏短。

本文以冰基浮標(biāo)為觀測平臺(tái)，開發(fā)溫濕度、氣壓以及GPS等多參數(shù)采集的遠(yuǎn)程監(jiān)測與通信系統(tǒng)。系統(tǒng)基于ARGOS衛(wèi)星通信技術(shù)，采用STC12增強(qiáng)型低功耗微處理器，采集、處理以及傳輸海冰表面溫濕度、氣壓以及海冰位置等參數(shù)。在保證數(shù)據(jù)通信質(zhì)量的前提下，充分考慮硬件低功耗設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化管理機(jī)制，多方位降低系統(tǒng)功耗。通過測試各個(gè)模塊的功耗，評估系統(tǒng)總體功耗，合理配置供電電源。此外，分析布放于北極地區(qū)的該類浮標(biāo)運(yùn)行情況，為進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的浮標(biāo)需要采集海冰表面的溫濕度、氣壓以及海冰的實(shí)時(shí)位置信息，通過ARGOS衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信?？紤]到海冰漂移速度相對緩慢，參數(shù)采集密度可調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可借助實(shí)時(shí)時(shí)鐘和可控電源進(jìn)行低功耗管理。因此，浮標(biāo)監(jiān)測與通信系統(tǒng)主要包括STC12單片機(jī)、電源模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、ARGOS通信模塊、溫濕度傳感器、氣壓傳感器以及GPS等單元，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海冰浮標(biāo)監(jiān)測與通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器與實(shí)時(shí)時(shí)鐘

微處理器采用STC12系列增強(qiáng)型單片機(jī)，具有高速、低功耗、抗干擾性強(qiáng)以及輸入輸出接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。該系列單片機(jī)掉電模式下的電流功耗小于0.1 μA，正常工作電流低至2 mA，工作頻率高達(dá)35 MHz，片上Flash和RAM的內(nèi)存分別高達(dá)62 kB和1 280 bit，具有多路UART接口，工作溫度低至-55 ℃。

系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)要求盡可能多的元器件在不工作的時(shí)候處于關(guān)機(jī)或者睡眠狀態(tài)，通過外部控制實(shí)現(xiàn)開機(jī)或喚醒。其中，微處理器的喚醒通過外部定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的外部定時(shí)器選用凌特公司的低頻時(shí)鐘芯片LTC6991。該芯片外圍電路簡單且定時(shí)準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)無干擾、首周期準(zhǔn)確啟動(dòng)以及長持續(xù)時(shí)間定時(shí)，實(shí)測供電電流僅為60 μA，工作溫度低至-55 ℃。主控制器與實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的電路原理如圖2所示。

2.2 電源模塊

考慮到極地低溫環(huán)境，供電電源采用14.4 V鋰亞硫酰氯功率型電池。衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)射瞬間所需功耗較大，為彌補(bǔ)低溫條件下鋰電池放點(diǎn)能力受限的缺點(diǎn)，采用超級電容輔助放電。微處理器和外圍器件所需電壓為3.3 V，采用凌特公司的輸出電壓可調(diào)的降壓型開關(guān)電源芯片LT8610，如圖3所示。它的實(shí)測靜態(tài)電流功耗約為80 μA，工作溫度低至-55 ℃。

2.3 傳感器單元

圖2 主控制器與實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路原理圖

圖3 DC/DC變換電路

圖4 傳感器單元接口電路

傳感器單元包括溫濕度傳感器、氣壓傳感器以及GPS定位模塊，接口電路如圖4所示。其中，溫濕度傳感器選用挪威Vaisala公司的HMP155型，為溫度和相對濕度一體型傳感器，輸出模擬電壓信號。溫濕度傳感器外部加防輻射罩，能夠有效反射來自各個(gè)方向的輻射，保護(hù)內(nèi)部溫濕度傳感器免受風(fēng)、雪、雨、沙以及塵等惡劣氣候條件的影響。氣壓傳感器采用挪威Vaisala公司的PB110型，輸出模擬電壓信號。GPS定位模塊采用Globalsat公司的GPS模塊。該模塊基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高靈敏度以及高性能的特點(diǎn)，為主控制器提供準(zhǔn)確的時(shí)間與位置信息。

2.4 衛(wèi)星通信單元

ARGOS通信模塊采用Kenwood公司的ARGOS-3 PMT-RFM模塊，具有衛(wèi)星過頂預(yù)測并自動(dòng)喚醒功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)耐瑫r(shí)降低數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功耗。它的休眠功耗低至90 μA，瞬時(shí)發(fā)射電流3 A左右。ARGOS衛(wèi)星通信接口電路，如圖5所示。

圖5 ARGOS衛(wèi)星通信接口電路

3 軟件流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后先進(jìn)行自檢，確保功能一切正常。自檢無誤后，傳感器采集并處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完畢即刻關(guān)閉傳感器電源，以節(jié)省傳感器功耗。主控器將采集處理后的傳感器數(shù)據(jù)送入ARGOS模塊緩存。ARGOS模塊根據(jù)預(yù)測的衛(wèi)星過頂時(shí)間自動(dòng)喚醒并發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)。主控制器傳輸數(shù)據(jù)完畢便進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待定時(shí)器觸發(fā)中斷喚醒，進(jìn)入下一周期的數(shù)據(jù)采集。具體流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

4 結(jié) 論

本文為解決海冰表面環(huán)境參數(shù)的長期連續(xù)觀測問題，設(shè)計(jì)了一種基于ARGOS衛(wèi)星通信技術(shù)的低功耗多參數(shù)冰基浮標(biāo)監(jiān)測與通信系統(tǒng)。實(shí)測系統(tǒng)整機(jī)待機(jī)功耗低于300 μA，低溫測試環(huán)境為-50 ℃仍可正常工作。該系統(tǒng)搭載的冰基浮標(biāo)已成功布放于北極浮冰上，連續(xù)采集了海冰表面的溫濕度、氣壓以及海冰位置等信息，有效運(yùn)行時(shí)間長達(dá)一年之久。該系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以推廣應(yīng)用于大面積的海冰環(huán)境監(jiān)測。