表層漂流浮標(biāo)系統(tǒng)超低功耗改進(jìn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

王 輝，丁軍航，2，蘭 勇，王巖峰

（1.青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，山東 青島 266000；2.山東省生態(tài)紡織協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266000；3.青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 266000；4.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266000）

0 引言

漂流浮標(biāo)作為重要的海洋設(shè)備，受廣大學(xué)者研究。美國(guó)漂流浮標(biāo)發(fā)展歷史悠久，根據(jù)過(guò)去幾十年定位和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的改進(jìn)，漂流浮標(biāo)的研究和運(yùn)營(yíng)價(jià)值大幅增長(zhǎng)。自2005 年以來(lái)，SVP 遍布世界各地，極大地提高了美國(guó)了解當(dāng)前和未來(lái)氣候變化的能力，與此同時(shí)，廉價(jià)、壽命短、可生物降解的漂流浮標(biāo)不斷發(fā)展[1]。近年來(lái)，我國(guó)浮標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定成就，但還存在較多不足，相對(duì)于我國(guó)300 萬(wàn)km2海洋面積以及深遠(yuǎn)海水文探測(cè)，幾乎是空白[2]。因此，漂流浮標(biāo)將在以后的研究中扮演重要角色。其研究重點(diǎn)在于系統(tǒng)穩(wěn)定的低功耗設(shè)計(jì)，通過(guò)國(guó)內(nèi)漂流浮標(biāo)系統(tǒng)的幾十年發(fā)展，國(guó)內(nèi)表層漂流浮標(biāo)系統(tǒng)海上運(yùn)行時(shí)間有限是重要的一方面，大致在1～2年，尚未很好地解決海上長(zhǎng)期工作的問(wèn)題?；诖耍疚难芯康闹攸c(diǎn)為超低功耗的實(shí)現(xiàn)，對(duì)低功耗器件進(jìn)行選型、軟件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)、功耗測(cè)量計(jì)算，并對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使浮標(biāo)系統(tǒng)更加合理、可靠。

1 浮標(biāo)存在的問(wèn)題及主要研究?jī)?nèi)容

表層漂流浮標(biāo)作為拋棄式海洋設(shè)備，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提下，其長(zhǎng)時(shí)間工作能力成為研究重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)較多學(xué)者研究表層漂流浮標(biāo)系統(tǒng)，并取得了一定成果。

1995 年，我國(guó)首次研究表層漂流浮標(biāo)，設(shè)計(jì)浮標(biāo)系統(tǒng)工作時(shí)間為6 個(gè)月以上；2011 年，國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的Argos 表層漂流浮標(biāo)工作可達(dá)600 天，大大提升了工作時(shí)間；2019 年，國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的多參數(shù)多通信方式的表層漂流浮標(biāo)采用鋰電池與太陽(yáng)能電池供電方式，理論工作年限2 年左右。

以上研究成果表明，低功耗設(shè)計(jì)為漂流浮標(biāo)大多數(shù)研究的主要方向。有效提升浮標(biāo)的長(zhǎng)期工作能力，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間獲取表面洋流信息具有重要意義?；诖耍疚脑跐M足浮標(biāo)系統(tǒng)工作需求的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)表層漂流浮標(biāo)做以下幾點(diǎn)改進(jìn)：硬件系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，表現(xiàn)在低功耗器件比較、選型；浮標(biāo)系統(tǒng)軟件能量?jī)?yōu)化，衛(wèi)星發(fā)射策略最優(yōu)設(shè)計(jì)。

2 浮標(biāo)硬件系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

浮標(biāo)硬件系統(tǒng)主要分為兩大部分，分別為系統(tǒng)主控制采集電路和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸電路。系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖如圖1 所示，它是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、衛(wèi)星發(fā)送系統(tǒng)以及用戶數(shù)據(jù)處理終端構(gòu)成。目前，正在運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)有Argos 系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和銥星系統(tǒng)等[3]。由于北斗系統(tǒng)覆蓋范圍有限，而漂流浮標(biāo)大范圍為遠(yuǎn)海投放，故采用銥星通信作為漂流浮標(biāo)的通信方式。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行控制、電源管理、數(shù)據(jù)通信等功能[4]，主要包括電源模塊和控制部件。其以單片機(jī)作為核心部件，外圍擴(kuò)展GPS、外部RTC、藍(lán)牙、TF 卡等器件來(lái)組成控制系統(tǒng)，用來(lái)調(diào)試浮標(biāo)系統(tǒng)的工作模式，采集GPS 信息并存儲(chǔ)。其中，單片機(jī)I2C 接口連接外部RTC 芯片，用來(lái)獲取實(shí)時(shí)時(shí)鐘，進(jìn)而控制系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間以及數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間；SPI 通信把數(shù)據(jù)存至TF卡；串口通信分別為藍(lán)牙通信、GPS 數(shù)據(jù)通信、銥星接收板通信；銥星通信板采用自主研發(fā)的銥星模塊9602 板，通信軟件設(shè)計(jì)主要完成采集器與上位機(jī)的通信交互[5]。

2.1 電源優(yōu)化設(shè)計(jì)

表層漂流浮標(biāo)系統(tǒng)在海上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，所以電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為了有效降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，對(duì)于系統(tǒng)中的主要部件和芯片采用獨(dú)立供電方式，在部件或芯片不工作時(shí)，采用切斷電源的方式節(jié)省功耗[6]。主流穩(wěn)壓芯片對(duì)比如表1 所示，表中4 種芯片都為低功耗器件且可控，滿足獨(dú)立電源設(shè)計(jì)。就待機(jī)電流而言，MP2359 具有較大優(yōu)勢(shì)，按1 年損耗情況計(jì)算，W=0.1×10-6×8 760×14.4=0.000 876 W·h，相比其他對(duì)比芯片，待機(jī)模式下可節(jié)能10～30 倍。靜態(tài)電流下MP2359 優(yōu)勢(shì)不大，APL5155 靜態(tài)電流優(yōu)勢(shì)明顯，但相同情況下，其待機(jī)電流損耗太大，為MP2359 的30 倍之多，而系統(tǒng)大多時(shí)間是工作在待機(jī)模式下，且芯片最大輸出電流0.15 A，不符合設(shè)計(jì)要求。由此看來(lái)，APL5155 的表現(xiàn)不如MP2359。在滿足功耗、電壓、輸出電流的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，MP2359 芯片開(kāi)關(guān)性能良好，最大輸出電流1.2 A，完全滿足浮標(biāo)系統(tǒng)的電源要求，在低功耗方面具有良好的特性參數(shù)。

表1 主流穩(wěn)壓芯片參數(shù)

在電源輸入端并入47 mF、0.1 mF、10 mF 瓷片電容濾波處理，以提升電源輸出電流穩(wěn)定性。由于浮標(biāo)系統(tǒng)不需同時(shí)工作，根據(jù)所選模塊功耗以及功能情況，供電采用4 組MP2359 進(jìn)行供電，獨(dú)立電源供電原則為供電負(fù)載遠(yuǎn)大于MP2359 運(yùn)行功耗，控制各模塊分時(shí)工作，最大限度減少運(yùn)行功耗。4 組供電出于以下考慮：

1）達(dá)到待機(jī)模式下最小能量損耗；

2）設(shè)計(jì)GPS 最少運(yùn)行時(shí)間；

3）藍(lán)牙不消耗系統(tǒng)正常運(yùn)行功耗；

4）其余大電流芯片能量?jī)?yōu)化。

由此設(shè)定供電方案：第1 路MP2359 為STM32、74AUP1G04永久供電；第2路MP2359控制GPS_NEO_6M；第3 路MP2359 控制藍(lán)牙HC_05；第4 路MP2359 控制TF卡、MAX3232。

2.2 主控制器的選擇

主控制器要求具備豐富的硬件接口，可使得漂流浮標(biāo)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)充性[7]。表層漂流浮標(biāo)控制器選用芯片大多為MSP430、STM32，此兩款芯片功耗較低且價(jià)格適中。對(duì)于低功耗來(lái)說(shuō)，TI 公司生產(chǎn)的MSP430 系列單片機(jī)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，開(kāi)發(fā)環(huán)境方便高效，在處理混合模擬信號(hào)兼顧低功耗方面優(yōu)勢(shì)十分明顯[8]。但其接口資源、I/O 數(shù)量較少，處理運(yùn)算時(shí)，STM32的速度略快于MSP430，在做浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于MSP430。STM32 系列單片機(jī)是ST（意法半導(dǎo)體）公司推出的基于ARM 架構(gòu)的32 位單片機(jī)，STM32 片上資源豐富，功能更加強(qiáng)大[9]。待機(jī)模式下STM32[10]僅消耗2 μA。在應(yīng)對(duì)未來(lái)表層漂流浮標(biāo)不再限定于簡(jiǎn)單功能的GPS 數(shù)據(jù)采集，在需要復(fù)雜運(yùn)算的環(huán)境中，尤其是牽扯到GPS 浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，STM32 相比MSP430 占有較大優(yōu)勢(shì)，其硬件資源豐富的優(yōu)勢(shì)條件使軟件優(yōu)化更易實(shí)現(xiàn)。綜合考慮以上情況，本研究采用STM32F103RCT6 作為系統(tǒng)控制器。

2.3 外部RTC 設(shè)計(jì)

表層漂流浮標(biāo)要實(shí)現(xiàn)低功耗，外部RTC 必不可少。外部時(shí)鐘為微控制器提供RTC 和系統(tǒng)時(shí)鐘[11]。由于外部RTC 使系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)，非海流計(jì)算所用時(shí)鐘，理論無(wú)需精確時(shí)間。若誤差較大，短期內(nèi)無(wú)影響；但長(zhǎng)期采集數(shù)據(jù)使系統(tǒng)亂啟，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)啟動(dòng)現(xiàn)象。因此，RTC 的精準(zhǔn)性非常重要。為使表層漂流浮標(biāo)系統(tǒng)含有精確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)與發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)低功耗與數(shù)據(jù)可控。本研究采用了外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS3231SN 工業(yè)級(jí)版本，與商用級(jí)相比，其溫度范圍大大增加，為-40～85 ℃。此芯片誤差為1 min/a，閏年、日期補(bǔ)償。兩個(gè)可配置獨(dú)立鬧鐘，為系統(tǒng)低功耗實(shí)現(xiàn)提供了可能。芯片工作功耗僅有200 mA，載有獨(dú)立紐扣電池CR2032，絕大數(shù)情況下由紐扣電池供電，容量240 mA·h，全天候工作時(shí)間為=1200 h，即大約為3.3 年，可并聯(lián)增加工作時(shí)間。幾乎不耗費(fèi)電池電能，在滿足時(shí)間精度的前提下具有良好的低功耗特性，滿足浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作時(shí)間范圍要求。

電路設(shè)計(jì)DS3231SN 供電方式為紐扣電池供電，VCC 不再接入電源，減少能量消耗。設(shè)計(jì)I2C 接口和單片機(jī)讀取寫入時(shí)鐘和鬧鐘。為了完成系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)且系統(tǒng)可控，在RTC 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增設(shè)74AUP1G04 芯片，當(dāng)設(shè)置鬧鐘與當(dāng)前時(shí)鐘相匹配時(shí)，DS3231SN 的SQW 引腳輸出低電平，此低電平通過(guò)此芯片進(jìn)行反向，WKUP 連接單片機(jī)喚醒引腳，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鬧鐘喚醒浮標(biāo)系統(tǒng)的功能。芯片功耗極低，工作時(shí)僅有0.9 μA。

2.4 GPS 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)低功耗設(shè)計(jì)

表層漂流浮標(biāo)最重要的功能是GPS 定位，它的精度和穩(wěn)定性直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的工作。設(shè)計(jì)采用GPS_NEO_6M 模組，主要考慮到表漂為一次性使用設(shè)備，其精度實(shí)際測(cè)量為1～5 m，在滿足精度要求的基礎(chǔ)上，價(jià)格是重要的考慮因素。設(shè)計(jì)可充電后備電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)，減少GPS定位所需時(shí)間，減少大量功耗流失。此表層漂流浮標(biāo)采用的是NMEA 0183 協(xié)議中的$GPRMC（推薦定位信息）。自主研發(fā)銥星通信板單次數(shù)據(jù)包僅傳輸340 B，由于數(shù)據(jù)過(guò)多會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，增加系統(tǒng)功耗且增加通信費(fèi)用。本研究采用數(shù)據(jù)壓縮處理功能，提高數(shù)據(jù)發(fā)送量，減少銥星通信板工作時(shí)間，大大降低了系統(tǒng)功耗。文件管理系統(tǒng)嵌入單片機(jī)，方便數(shù)據(jù)讀取存儲(chǔ)，控制器獲取的GPS 字符串通過(guò)解析處理，軟件編程壓縮轉(zhuǎn)換成數(shù)字。解析結(jié)果存入TF 卡中，每一組設(shè)定14 B，包括UTC 時(shí)間、經(jīng)緯度信息等。電路設(shè)計(jì)選用法拉后備電池為GPS 模塊保存星歷數(shù)據(jù)，有效控制GPS 定位時(shí)間在1 min 之內(nèi)。外部擴(kuò)展大容量TF卡，大量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，采用SPI通信方式，高效傳輸。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)物圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)物圖如圖2、圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

3 軟件節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1 能量?jī)?yōu)化軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在自主設(shè)計(jì)的電路板基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了如圖4 的軟件流程。其中最為重要的是軟件優(yōu)化問(wèn)題，為了避免程序跑飛和死機(jī)等情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩種策略：一是在內(nèi)核代碼中加入軟件看門狗功能；二是在硬件設(shè)計(jì)上增加系統(tǒng)復(fù)位電路[12]。

圖4 系統(tǒng)流程圖

經(jīng)過(guò)數(shù)月的軟件測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)人為上電后，藍(lán)牙只有在非鬧鐘喚醒的情況下啟動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有在人為上電的情況下藍(lán)牙啟動(dòng)，且可收發(fā)數(shù)據(jù)，使用便攜穩(wěn)定，具有良好的實(shí)驗(yàn)效果。藍(lán)牙設(shè)置完畢后，寫入下次啟動(dòng)時(shí)間，藍(lán)牙不再繼續(xù)工作。進(jìn)入GPS 采集，由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，而系統(tǒng)最為重要的是長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，設(shè)定5 min 數(shù)據(jù)未接收，則系統(tǒng)進(jìn)入睡眠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5 min 可滿足GPS 獲取有效定位時(shí)間。GPS 后備法拉電池滿足模塊保存2 h 左右的星歷數(shù)據(jù)。銥星通信板由于天氣情況信號(hào)質(zhì)量等因素，發(fā)送一次數(shù)據(jù)包的時(shí)間不超過(guò)5 min。此軟件流程可有效防止系統(tǒng)因各類錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，且提高了海上運(yùn)行安全，減少了能量消耗。

3.2 最優(yōu)發(fā)射策略

銥星發(fā)送策略設(shè)計(jì)目標(biāo)為銥星啟動(dòng)次數(shù)最少、運(yùn)行時(shí)間最短的低功耗設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上考慮洋流變化較大時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸，為方便用戶及時(shí)獲取洋流變化，系統(tǒng)銥星發(fā)送策略如圖5 所示。首先1 包數(shù)據(jù)最大化設(shè)計(jì)，可有效減少銥星發(fā)送次數(shù)，在此基礎(chǔ)上考慮周期T的大小，由此決定是否啟動(dòng)銥星來(lái)獲取最新洋流變化數(shù)據(jù)。整體上每天一次銥星啟動(dòng)，多包發(fā)送，在遇到局部洋流變化較大情況時(shí)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，保證銥星啟動(dòng)次數(shù)最少的情況下及時(shí)獲取洋流變化。另外，檢測(cè)銥星信號(hào)較弱時(shí)，停止銥星啟動(dòng)，更換下一時(shí)間段進(jìn)行傳輸且在上一個(gè)數(shù)據(jù)包告知用戶。此設(shè)計(jì)使銥星板啟動(dòng)時(shí)間最少，滿足低功耗設(shè)計(jì)，且對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸性、可靠性方面均有改善。

圖5 銥星發(fā)射流程

4 測(cè)試結(jié)果

在系統(tǒng)軟硬件穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上，對(duì)電路板功耗進(jìn)行了測(cè)量及分析。功耗實(shí)測(cè)表如表2所示?？刂颇K包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源管理、DS3231、反向器及MAX3232。

表2 功耗實(shí)測(cè)表

工作模式下一天功耗為：

選用的電池為惠州億緯鋰能股份有限公司生產(chǎn)的EVE 品牌型號(hào)為ER34615 的能量型鋰?亞硫酰氯電池[13]。采用四串四并16 節(jié)EVE 電池方式構(gòu)成電池包，電池包額定電壓14.4 V，尺寸為70 mm×120 mm×130 mm，重1.6 kg，總能量為3.6×4×19×4=1 094.4 W·h。綜上所述，計(jì)算實(shí)際預(yù)估工作天數(shù)：

由實(shí)測(cè)電流數(shù)據(jù)可以計(jì)算出此系統(tǒng)在正常工作模式下理論工作時(shí)間為1 683 天，即4 年8 個(gè)月左右。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析目前表層漂流浮標(biāo)存在的工作時(shí)間能力及其他部分問(wèn)題，改進(jìn)浮標(biāo)系統(tǒng)的硬件電路，采用可控電源、低功耗器件構(gòu)成系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)其功能；使用大內(nèi)存TF 卡大量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)壓縮處理，使得每一組數(shù)據(jù)為14 B，有效減少銥星的啟動(dòng)次數(shù)與數(shù)據(jù)發(fā)送量；藍(lán)牙HC_05 電路的加入，使播放更加簡(jiǎn)單，使用方便；銥星發(fā)射策略的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)更合理，銥星工作時(shí)間得到有效降低，減少能量損耗。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)在功耗方面有了明顯的降低，為下一步海上投放做了充足的準(zhǔn)備。