海水與大氣CO2分壓全自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)*

劉 凱，蔣 凱，湯亞偉

(浙江大學生物醫(yī)學工程與儀器科學學院生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室，浙江杭州310027)

0 引言

工業(yè)革命以來，由于化石燃料使用等人為活動，導致大氣CO2的平均濃度從過去420ka中的180～300μL/L上升到現(xiàn)在的380μL/L［1］。占地球表面積71%的海洋作為大氣CO2重要的匯區(qū)，對全球氣候的變化具有關鍵性的調控作用，而?！獨饨缑鍯O2通量是評估海洋在全球變化中作用的前提和基礎［1］。

海表CO2分壓pCO2受海表溫度控制，當海表溫度增加1℃，海表pCO2將增加4%，同時海洋上層的初級生產過程也是影響海表pCO2的一個因素［2］。因此，海表pCO2值與海表溫度，葉綠素濃度，pH等參數之間存在密切的聯(lián)系。監(jiān)測這些參數，能更準確地評估海表pCO2值。

獲得海—氣界面CO2通量時空分布最直接的方法是走航式觀測海水表層CO2分壓［4］。但是，目前走航式監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在以下幾個不足之處:

1)存儲量小:不能滿足4，5個月的數據存儲要求。

2)通信手段單一:只能通過海事衛(wèi)星傳輸數據，不能實時觀測數據，并且數據回放不方便。

3)人工錄入困難:由于采用分體式設計，顯示部分由單片機控制，輸入操作比較復雜。

4)無船艏向測量:簡單的以船行進方向作為船艏向，數據準確性差。

針對以上存在的不足，本文研發(fā)了連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡便，功能完善，可滿足用戶的使用要求。

1 檢測原理與硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)可以分為采集處理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、上位機顯示系統(tǒng)等部分，框架如圖1所示。

下位機采集處理系統(tǒng)負責數據采集控制、數據處理，并負責和上位機之間的串行通信。傳感器系統(tǒng)中主要有LI-COR公司的CO2/H2O分析儀用來檢測CO2和H2O的濃度;RBR公司的溫鹽儀XR-420 CT，檢測海水溫度、電導等參數;GPS傳感器用來獲得當前經度、緯度以及航速。此外，還有一些輔助傳感器。通信系統(tǒng)主要實現(xiàn)采集處理系統(tǒng)同上位機PC端之間串行通行的功能。

電源系統(tǒng)包括開關電源和后備電源。根據安裝環(huán)境的不同，電源可能采用220V或110V交流轉12V直流的開關電源或24 V直流轉12 V直流的開關電源。后備電源也同樣要根據不同的應用環(huán)境和設備功耗來進行選擇確定。

上位機軟件實現(xiàn)和下位機之間的通信，顯示并保存當前測量得到的數據。

2 軟件系統(tǒng)

上位機PC端軟件部分主要由以下幾個模塊組成:1)通信模塊實現(xiàn)上位機同下位機之間的通信;2)數據實時顯示模塊將由傳感器獲得的數據在PC上實時顯示，包括文本數據和曲線的實時顯示;3)數據存儲模塊實現(xiàn)長時間將采集得到的數據進行自動保存;4)通信接口選擇模塊，不同設備選擇不同的串口進行通信。

2.1 數據的傳輸通信

上位機PC端與下位機之間通過串口進行通信。一般船舶甲板上各種大功率設備比較多，干擾源比較復雜，干擾信號比較強烈，這里采用RS—485接口來解決這個問題。

下位機將從傳感器獲得的數據發(fā)送給上位機。上下位機之間實現(xiàn)多路串口同時通信，其中每個設備占用一個串口。用戶可以選擇其中的一個或多個設備，并自由選擇每個設備對應的串口號。

走航式海水與大氣分壓全自動連續(xù)檢測系統(tǒng)通信協(xié)議能滿足實時性的要求，能夠快速傳輸數據信息?？紤]傳感器一次傳輸的數據量不是很大，所以，串口采用的波特率為9600 bps。

上位機軟件用Visual stdio 2008編寫，每個串口使用一個線程，這樣可以保證各個端口數據接收不沖突，同時使用線程模式使得接收數據不會處于死等狀態(tài)，在等待數據期間，CPU可以執(zhí)行其他任務，提高了軟件的性能。

在本系統(tǒng)中CO2的濃度信息是最重要的，下面以傳輸CO2濃度信息數據為例介紹上下位機之間的通信。

下位機每隔500ms發(fā)送CO2濃度信息，一次發(fā)送24個浮點格式的數據，數據每一位用一個字節(jié)表示，在每個數據的頭和尾各有一個空格數據以起到標識作用，每次發(fā)送數據以DATAM為起始。數據串格式為:DATAM第1個數據第2個數據 …… 第23個數據 第24個數據。其中，CO2濃度信息為第9個數據。在數據串中獲取CO2濃度信息的流程圖如圖2所示。

圖2 獲取數據流程Fig 2 Flow chart of data acquisition

2.2 數據顯示界面

軟件的操作界面提供了良好的用戶操作性，主要可以分為以下幾個部分:1)選擇需要通信的設備和各自對應的串口號;2)設備狀態(tài)顯示，用來指示串口是否已打開;3)接收到數據實時顯示，同時繪出曲線圖。

操作界面上顯示的數據由下位機發(fā)送，上位機每1 s查詢是否收到新數據，如果收到新數據，并且校驗準確則顯示，如果校驗錯誤，則判斷是否超時，超時則顯示接收出錯，數據接收并顯示的流程圖如圖3所示。

圖3 數據接收并顯示的流程圖Fig 3 Flow chart of data receiving and displaying

2.3 數據存儲

走航式的一個重要指標是要求能長時間的檢測數據，這就需要對檢測到的數據進行本地保存，這樣可以根據需要對已獲得的歷史數據進行回看分析，軟件每隔1 min自動保存數據到文本文件，保存的數據包括下位機傳輸的數據和當前的時間，當經過24 h之后，創(chuàng)建新文件，然后，將之后的信息保存在新文件中，來避免單個文件過大，這樣可以實現(xiàn)長期數據保存。

3 系統(tǒng)應用

國家海洋二所在2009年9月使用本系統(tǒng)檢測了長江口和杭州灣海域的CO2含量，這次航行經過長江北支、長江口、杭州灣，回到上海金山上岸。軟件持續(xù)記錄了在這些海域的檢測到的數據，數據圖見圖4。

圖4 不同經緯度的p CO2值Fig 4 p CO2 in different longitude and latitude area

4 結論

本文介紹了走航式海水與大氣CO2分壓全自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計。經實際使用表明，本系統(tǒng)能長時間監(jiān)測海表的CO2濃度，由于能自動保存數據到本地，極大地減少了人工作業(yè)，同時長時間、大范圍的檢測使工作人員能更準確地掌握海洋CO2含量變化。

從實驗結果可以看出:秋季長江入?？诤秃贾轂潮韺雍Ｋ畃CO2值在480～1 250μatm之間，長江沖淡水是造成該海域表層海水pCO2分布不均的主要原因。同時受到長江入海口附近一個排污口的影響，在該區(qū)域pCO2值要高于其他海域。

［1］朱洪海.智能走航式海洋監(jiān)測系統(tǒng)［D］.青島:中國海洋大學，2009:102－103.

［2］譚 燕，張龍軍，王 凡，等.夏季東海西部表層海水中的pCO2及?！獨饨缑嫱浚跩］.海洋與湖沼，2004，35(3):238－244.

［3］張龍軍，郭 朝，薛 亮.秋季北黃海表層海水CO2分壓分布及其影響因素探討［J］.中國海洋大學學報，2009，39(4):587－591.

［4］Thomas H，Bozec Y，Elkalay K .Control of the surface water partial pressure of CO2in the North Sea［J］.Biogeosciences，2005(2):127－133.

［5］Fabrizio D’Ortenzio，Marullo S.Satellite-driven modeling of the upper ocean mixed layer and air-sea CO2flux in the Mediterranean Sea［J］.Deep-Sea Research-I，2008，55(2):405－434.