盛 堰 ，王兆山 ，馮久超 ，呂善翔，伍忠良

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510075；2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641)

天然氣水合物被普遍認(rèn)為將是21世紀(jì)最具潛力的接替煤炭、石油和天然氣的新型潔凈能源之一，同時也是目前尚未開發(fā)的儲量巨大的一種新能源。2007年我國在南海成功鉆獲天然氣水合物實物樣品，標(biāo)志著我國開始進(jìn)入了天然氣水合物大規(guī)?？碧胶烷_采階段，天然氣水合物環(huán)境效應(yīng)研究是目前世界各國在鉆探開采前必須根據(jù)其分布區(qū)域和成藏特點開展的重要研究內(nèi)容。海底天然氣水合物分布區(qū)的海水水體、氣體信息中蘊含了水合物要素信息，其數(shù)據(jù)變化反映了水合物形成環(huán)境變化要素。對水合物海底環(huán)境要素不同時空尺度的狀況及其變化趨勢進(jìn)行長期監(jiān)測，并采集、傳輸、處理、分析海底天然氣水合物環(huán)境要素的信息數(shù)據(jù),開展海底天然氣水合物環(huán)境效應(yīng)研究，對勘探和開采服務(wù)具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)的研究方法有直接觀測和取樣分析兩種。直接觀測就是通過載人潛水器或水下機器人對水合物成藏區(qū)的海底沉積物、生物等進(jìn)行現(xiàn)場觀測，這種方法的成本和危險性都比較高，而且只能進(jìn)行短時間的探測。取樣分析法中，是對海底沉積物和生物進(jìn)行取樣，然后對樣品進(jìn)行分析和測試，由于從取樣到進(jìn)入儀器進(jìn)行實驗分析需要比較長的周期，分析的出數(shù)據(jù)不再具有實時性，而且在取樣后很難保證樣品原有的壓力、溫度等條件，分析結(jié)果會有一定的失真，部分成分脫離了深海環(huán)境，其測量甚至失去了原有的意義[2-4]。水合物海底環(huán)境長期監(jiān)測技術(shù)可以很好地解決這些難題，它通過水下控制系統(tǒng)將多個水合物參量的物理和化學(xué)傳感器集成在一起，對海底水合物成藏區(qū)海底邊界的參數(shù)進(jìn)行周期性采樣和存儲，可通過水聲通信技術(shù)傳輸和系統(tǒng)回收后下載原位數(shù)據(jù)的方式對水合物環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，為水合物環(huán)境效應(yīng)提供海底原位數(shù)據(jù)，是一種很好的研究方法。

天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測系統(tǒng)涉及多層面的關(guān)鍵技術(shù)，水下控制系統(tǒng)的設(shè)計和多傳感器集成是其中之一。本文從實用角度出發(fā)，設(shè)計了一種應(yīng)用于水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測裝置的嵌入式控制系統(tǒng)，它能夠?qū)⒍鄠€水合物環(huán)境參量傳感器進(jìn)行集成，并根據(jù)監(jiān)測頻率進(jìn)行周期性供電，具有良好的可擴展性和低功耗性能。

1 天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測系統(tǒng)概述

天然氣水合物海底環(huán)境長期監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：甲板測控單元，通信單元，海底長期采集錨泊單元等3部分[1]。海底長期采集錨泊單元的投放與回收使用聲學(xué)釋放器進(jìn)行，裝置與甲板系統(tǒng)之間的通信通過水聲通訊Modem進(jìn)行。海底長期采集錨泊單元通過中央控制系統(tǒng)將多個水合物環(huán)境參量物理和化學(xué)傳感器、監(jiān)測儀器、水聲通訊Modem、聲學(xué)釋放器等集成在一起，經(jīng)過專用支架安裝后投入海底，形成對海底多個水合物環(huán)境要素不同時空尺度的狀況及其變化趨勢進(jìn)行全方位的立體探測的能力，并采集、傳輸、處理、分析這些環(huán)境要素的信息數(shù)據(jù)，揭示海底水合物相關(guān)環(huán)境的變化規(guī)律，為海底水合物的環(huán)境效應(yīng)研究和試采提供原位資料[1,3]。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測裝置整體框圖

天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測系統(tǒng)固定安裝的多參量傳感器包括：甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）、溫鹽深（CTD）、溶解氧（DO）、海流等，并提供擴展接口，可選擇性安其他參量傳感器。

為了方便系統(tǒng)集成、降低電路復(fù)雜度、提高測量精度，選擇具有數(shù)字化輸出的智能傳感器和監(jiān)測儀器，它們往往是高精度探頭和微處理器的結(jié)合體，具有RS-232/485等標(biāo)準(zhǔn)接口，通過接口轉(zhuǎn)換單元實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的連接。傳感器和監(jiān)測儀器可根據(jù)具體測量參量進(jìn)行選擇和擴展。

2 天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測水下低功耗控制系統(tǒng)嵌入式設(shè)計

水下控制系統(tǒng)是天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測裝置中水下部分的主控單元，它負(fù)責(zé)對各傳感器和監(jiān)測儀器的驅(qū)動、控制，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、封裝、格式化存儲以及與甲板系統(tǒng)的通訊等。下面將從硬件、軟件、低功耗處理三個方面詳細(xì)闡述控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。

2.1 水下低功耗控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

水下控制系統(tǒng)需要完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)，包括：低功耗處理、接口轉(zhuǎn)換、環(huán)境監(jiān)測儀器和傳感器數(shù)據(jù)采集、電源及聲學(xué)釋放器等部分組成。系統(tǒng)使用耐高壓、耐腐蝕的殼體封裝，駐留海底長期工作，受殼體容積和電源電量的限制，因此控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計需要遵循小體積、低功耗的原則。本設(shè)計中，以S3C6410A為主處理器，在其核心板的基礎(chǔ)上增加適當(dāng)?shù)耐鈬娐泛徒涌陔娐窐?gòu)成系統(tǒng)底板。

S3C6410A是三星公司的一款嵌入式微處理器，該處理器基于ARM1176JZF-S內(nèi)核，主頻達(dá)553 MHz，內(nèi)置豐富的硬件外設(shè)，包括4個UART異步串行口、2個SPI同步串行口、USB接口、4通道定時器、一個8位ITU 601/656相機接口，多標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼解碼器、32 GB高速SD卡支持等。在核心板上集成256 MBDDR內(nèi)存和2 GBNand Flash存儲器，并通過排針將上述接口引出，方便后續(xù)開發(fā)。核心板和底板的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

具體設(shè)計如下：

將4路TTL電平串口通過SP3232芯片轉(zhuǎn)換為RS-232串口，用于水聲通訊Modem、甲烷、二氧化碳、硫化氫傳感器的連接；將1路USB主設(shè)備接口(USB Host)通過AU9254芯片擴展為4個，用于溫鹽深、海流、溶解氧等的連接；通過USB轉(zhuǎn)RS-232/422/485芯片繼續(xù)擴展串口[7]，從而支持更多的傳感器和監(jiān)測儀器；

將1路USB從設(shè)備接口(USB Slave)引出為mini USB接口，供與電腦主機連接，用于程序下載和設(shè)備上岸后讀取數(shù)據(jù)；

將處理器的一些通用IO口(GPIO)引出，用于對模數(shù)轉(zhuǎn)換等芯片的支持；

給SDIO接口安裝插槽，支持讀寫大容量SD卡，存儲海底長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由于USB接口是可以通過集線器繼續(xù)擴展的，而所采用的S3C6410A處理器還具有相機接口和多標(biāo)準(zhǔn)視頻編解碼器，因此該系統(tǒng)具有良好的擴散性，可以不斷增加新的傳感器甚至紅外海底攝像頭。

2.2 水下低功耗控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

水下控制系統(tǒng)的控制軟件需要實現(xiàn)多個水合物海底環(huán)境監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)采集，甲板監(jiān)控數(shù)據(jù)包，驗證數(shù)據(jù)包格式,數(shù)據(jù)存儲，電源檢測、工作模式控制和數(shù)據(jù)傳送等功能。

水下控制軟件設(shè)計的操作系統(tǒng)采用微軟公司winCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺為Visual Studio 2005和Platform Builder for Windows Embedded CE6.0，在該平臺上，首先進(jìn)行系統(tǒng)定制、底層驅(qū)動開發(fā)等工作，精簡操作系統(tǒng)，保留必需的基本功能；然后開發(fā)基于winCE6.0環(huán)境的應(yīng)用程序，作為控制系統(tǒng)的主程序，負(fù)責(zé)控制整個水下部分的運行和與甲板的通訊。

控制應(yīng)用程序的開發(fā)使用面向?qū)ο蟮腃++語言。對串口的操作比較多，因此將其單獨封裝為一個類，包括打開串口、發(fā)送數(shù)據(jù)、創(chuàng)建接收線程、關(guān)閉串口等方法和事件。串口1連接水聲通訊Modem，用于和甲板系統(tǒng)的通訊，其余串口連接各監(jiān)測傳感器模塊及應(yīng)用擴展。

系統(tǒng)上電時，應(yīng)用程序自動啟動。程序首先判斷是否有甲板系統(tǒng)的命令到來，如果有，就進(jìn)入通訊模式，接收并解析、執(zhí)行甲板系統(tǒng)的命令；如果沒有，就進(jìn)入環(huán)境監(jiān)測模式，依次打開各傳感器、監(jiān)測儀器并初始化，發(fā)送測量命令，接收、處理測量結(jié)果，然后獲取系統(tǒng)日期和時間數(shù)據(jù)，將各項數(shù)據(jù)按特定格式封裝，在SD中進(jìn)行格式化存儲?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

2.3 低功耗處理技術(shù)

水下控制系統(tǒng)和它所連接的傳感器、監(jiān)測儀器在海底運行，使用電池供電，能量是有限的，當(dāng)電池電量低于設(shè)定值時，就需要使用聲學(xué)釋放器將設(shè)備回收。為確保長時間可靠監(jiān)測、降低監(jiān)測成本，一方面，使用能量比較高、可重復(fù)充放電的鋰電池[8]，系統(tǒng)搭載多個電池包，系統(tǒng)實現(xiàn)中自動電池包更換，另一方面，在系統(tǒng)設(shè)計時進(jìn)行必要的節(jié)能和低功耗處理，包括使用功耗較低的芯片、根據(jù)系統(tǒng)工作特征進(jìn)行間歇性供電等。

常見的一種低功耗處理方法是在不需要監(jiān)測的時段，使系統(tǒng)自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)定時時間到，再將系統(tǒng)喚醒[9]。但對于運行有操作系統(tǒng)的設(shè)備來說，待機時的功耗也不低。因此本設(shè)計中使用了另外一種低功耗方案，即在控制系統(tǒng)中，設(shè)計單獨的供電模塊，負(fù)責(zé)水下部分的能量供應(yīng)。

使用大功率鋰電池組、單片機、繼電器等開發(fā)了供電模塊，圖4給出了供電模塊原理圖。電源線經(jīng)過繼電器再到達(dá)控制系統(tǒng)的底板和各傳感器模塊、監(jiān)測儀器。單片機程序通過定時器控制繼電器的開閉情況，從而控制電源的通斷。監(jiān)測時的通電時間根據(jù)數(shù)據(jù)采集所需時間而定，其余時間內(nèi)，控制系統(tǒng)和各傳感器模塊、監(jiān)測儀器都處于斷電狀態(tài)。

圖4 供電模塊的電路原理圖

3 功耗分析與測試

設(shè)水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測周期為T，休眠狀態(tài)下喚醒系統(tǒng)并完成一次監(jiān)測所需時間為ta，斷電狀態(tài)下啟動系統(tǒng)并完成一次監(jiān)測所需時間為tb，控制系統(tǒng)和傳感器、監(jiān)測儀器工作時電流為I1,休眠時電流為I2,供電模塊導(dǎo)通時工作電流為I3，斷開時電流為I4，電池供電電壓為U，則兩種低功耗方案平均功率分別為：

式中：Pa為采用休眠方案的平均功率；Pb為采用獨立供電模塊的平均功率；η 為二者的比值。供電模塊斷開時的工作電流比系統(tǒng)休眠時的電流小很多，因此第二種方案在降低功耗方面的作用將更為明顯。

水下低功耗嵌入式設(shè)計在實驗室環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)運行實驗和功耗性能對比測試。具體測試方案如下：

使用不銹鋼封裝的DS18B20數(shù)字溫度傳感器和STC89C52單片機最小系統(tǒng)板制作一款液體溫度測量模塊[10]，相當(dāng)于一個測溫儀，當(dāng)串口有測量命令到達(dá)時，即啟動一次測量，并返回數(shù)字化的測量結(jié)果。通過RS-232串口線將溫度測量模塊與控制系統(tǒng)連接，在程序中增加對該溫度測量模塊的支持。使用數(shù)控直流電源直接給控制系統(tǒng)和溫度測量模塊供電，電壓U 調(diào)為5.00 V，測量工作和休眠時的電流I1，I2以及兩種低功耗方案完成溫度測量所需時間為ta，tb；使用數(shù)控直流電源直接給供電模塊的電路供電，電壓U 為5.00 V，測量供電模塊導(dǎo)通和斷開時的工作電流I3，I4；設(shè)監(jiān)測周期T為1 h，根據(jù)式(1)～式(3)分別計算兩種方案的平均功率和比值。為供電模塊配備5 V電池，給控制系統(tǒng)和溫度測量模塊供電，監(jiān)測周期T 設(shè)置為1 h，每次監(jiān)測供電時間設(shè)置為60 s，進(jìn)行長時間溫度測量，觀察控制系統(tǒng)運行情況。功耗測試結(jié)果見表1。

表1 測試結(jié)果

由表1中的結(jié)果可見，使用獨立的供電模塊時，平均功耗為78.2 mW,是使用工作-休眠模式的37.4%，反映出這種低功耗方案的相對優(yōu)越性。預(yù)計在增加數(shù)個傳感器和監(jiān)測儀器以后，系統(tǒng)平均功耗將增加至100 mW 左右，則持續(xù)運行90 d所需要的電量約為43.2 Ah，當(dāng)前技術(shù)條件下足以制作該容量鋰電池組。

另一方面，在使用供電模塊給控制系統(tǒng)和溫度測量模塊供電時，系統(tǒng)按照“啟動-測量-保存-關(guān)機”的順序周期性工作，SD卡中得到了一系列準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

天然氣水合物大規(guī)?？碧胶烷_采必須首先對水合物的環(huán)境效應(yīng)及環(huán)境災(zāi)害進(jìn)行研究和評估，研制天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)海底天然氣水合物多參量的環(huán)境要素不同時空尺度的狀況及其變化趨勢進(jìn)行長期監(jiān)測，其核心技術(shù)在于水下低功耗控制系統(tǒng)的設(shè)計，它負(fù)責(zé)對各傳感器和監(jiān)測儀器的驅(qū)動、控制，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、封裝、格式化存儲以及與甲板系統(tǒng)的通訊。本文首先對天然氣水合物海底環(huán)境效應(yīng)長期監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了整體介紹，然后為之設(shè)計了以S3C6410A為核心的水下低功耗嵌入式控制系統(tǒng)，在winCE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)了控制系統(tǒng)的主程序。然后，設(shè)計了控制系統(tǒng)的供電模塊，根據(jù)監(jiān)測周期為控制系統(tǒng)和多參量傳感器及聲學(xué)Modem進(jìn)行周期性供電。在實驗室環(huán)境下經(jīng)過分析和測試表明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，在降低功耗、節(jié)約能源等方面具有較好的性能。在后續(xù)工作中，將搭載海洋科考船進(jìn)行海試實驗，以進(jìn)一步驗證低功耗性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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