自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

劉素花, 李思忍, 徐永平

(1. 青島理工大學(xué), 山東 青島 266520; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

劉素花1, 李思忍2, 徐永平2

(1. 青島理工大學(xué), 山東 青島 266520; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

針對海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中供電電池組有限儲能與儀器長期工作之間的矛盾, 進(jìn)行了自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗研究。從節(jié)能降耗、充分利用水體能源出發(fā), 將定點(diǎn)錨泊潛標(biāo)和浮標(biāo)技術(shù)相結(jié)合, 采用雙浮體技術(shù), 基于能量守恒, 研制了一種儲能型的傳動裝置; 在分析了影響系統(tǒng)功耗的各種因素的基礎(chǔ)上, 對單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制存儲系統(tǒng)進(jìn)行了低功耗設(shè)計, 為海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)長期在位作業(yè)提供了有力的能源保證, 很好地解決了海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的能源供應(yīng)問題, 使得該系統(tǒng)可以依靠單一的傳感器組完成深達(dá)55 m以上的水體次表層海洋要素的長期連續(xù)垂直剖面觀測。

低功耗; 節(jié)能; C8051F340單片機(jī); 海洋環(huán)境

海洋因其地理空間的廣袤性和自然環(huán)境的復(fù)雜性, 使得對海洋大范圍、長時間地連續(xù)監(jiān)測非常困難,目前采用的主要手段是各種潛標(biāo)、浮標(biāo)系統(tǒng)和其他一些自容式監(jiān)測儀器[1]。由于工作環(huán)境的特殊性, 從外部給這些監(jiān)測系統(tǒng)提供驅(qū)動電源的成本很高, 或者是從技術(shù)層面和實(shí)際操作上根本不可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外部供電。所以, 海洋監(jiān)測儀器基本上都是采用自備電源, 也就是采用蓄電池對系統(tǒng)進(jìn)行供電。這些電池供電系統(tǒng)都希望能在無人干預(yù)的情況下工作時間越長越好, 而這和電池組的有限儲能產(chǎn)生了矛盾,因此低能耗系統(tǒng)設(shè)計就具有重要的意義, 可以延長系統(tǒng)的工作周期, 降低運(yùn)營成本。對電路系統(tǒng)而言,低功耗設(shè)計可以降低系統(tǒng)熱耗散, 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在保證系統(tǒng)功能的前提下, 還應(yīng)滿足低功耗、連續(xù)工作時間長、體積小、質(zhì)量輕、高可靠性的要求。測量、控制、通信、內(nèi)耗等都需要能源, 因此, 在能源供給體積及容量有限的制約條件下, 充分利用水體能源及系統(tǒng)自身的能量, 最大限度地減少能耗, 最大限度地延長作業(yè)時間, 是研制自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。為此, 研制高效節(jié)能的驅(qū)傳動系統(tǒng)、選擇微功耗的元器件、設(shè)計低功耗的單片機(jī)測量控制電路、減少高頻工作時間、降低機(jī)械系統(tǒng)和電源的內(nèi)耗、選擇最佳的控制模式等, 是實(shí)現(xiàn)自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)低能耗所采取的主要措施。本文分別從機(jī)械設(shè)計和電氣設(shè)計兩個方面對自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的低功耗進(jìn)行了研究, 為解決長期在位作業(yè)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的能源供應(yīng)問題提供了一種新方案。

1 自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的雙浮體設(shè)計

自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由剖面測量平臺(以下簡稱小浮體)、潛標(biāo)式主浮體和錨泊系統(tǒng)三部分組成。主浮體平臺位于水面以下55 m的地方, 是自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分, 不僅是兩個運(yùn)動平臺之一, 而且還是小浮體和錨泊系統(tǒng)的連接樞紐, 其上部連接著小浮體, 下部連接錨泊裝置錨固在海底。同時主浮體平臺也是系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換傳動裝置和控制裝置的搭載主體, 包括外殼、傳動儲能機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集控制機(jī)構(gòu)、浮力系統(tǒng)等組成部分。小浮體是所有測量傳感器的載體, 由架體、浮球、測量設(shè)備等組成。它可以根據(jù)需要搭載各類傳感器, 進(jìn)行海洋次表層水質(zhì)等多參數(shù)的立體連續(xù)測量[2], 能夠在海表面和主浮體潛伏的位置之間進(jìn)行循環(huán)升降運(yùn)動。本系統(tǒng)設(shè)計測量范圍為海面下5～55 m。錨泊系留系統(tǒng)由重力錨塊、錨鏈、釋放器、輔助浮球、轉(zhuǎn)動鏈接環(huán)和特制包塑錨泊纜等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Configuration of the autonomous ocean environment monitoring system

自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用雙浮體設(shè)計, 通過驅(qū)傳動機(jī)構(gòu)之間的配合使得兩個浮體在海水中上下運(yùn)動, 由主浮體建立一個水體中層平臺, 剖面測量從這個平臺向上開始, 通過小浮體搭載傳感器升降, 這本身就降低了功耗。設(shè)計的自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)最大布放深度 200 m, 海洋要素最大剖面測量距離55 m, 小浮體最小有效載荷20 kg。系統(tǒng)可連續(xù)工作 1 a以上, 能夠進(jìn)行定時采集和存儲水文數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)長期連續(xù)工作, 即使小浮體每天上浮、下潛各一次, 它所需要的能量也非常巨大。為此, 整體系統(tǒng)的低功耗設(shè)計非常重要。系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計方面采用了節(jié)能型的鉸接拉緊傳動裝置及雙浮體技術(shù), 充分利用水體及系統(tǒng)本身的能量, 為系統(tǒng)長期運(yùn)行提供了能源保證。在電氣控制中, 采用全速 USB FLASH微控制器 C8051F340, 設(shè)計了高度集成的低功耗、高可靠的數(shù)據(jù)采集控制存儲器, 并進(jìn)行了單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計。

2 自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的儲能傳動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 儲能傳動裝置

兩浮體在水中具有正浮力, 我們設(shè)定浮體上升時浮力對該浮體所作的功為正, 浮體下降時, 浮力所作的功為負(fù)。浮體從某點(diǎn)A在浮力作用下上升到另外某一點(diǎn)B后, 又克服浮力下潛到起始點(diǎn)A。兩次行程浮力所做的功大小相等, 方向相反。我們可以認(rèn)為, 浮力對于浮體從A點(diǎn)到B點(diǎn)又回到A點(diǎn)的過程中所作的功為零, 在此過程中, 浮體消耗的功也為零。為了將小浮體上升時浮力所做的功儲存起來, 在小浮體下降時釋放存儲的功, 我們設(shè)計了一個雙滾筒裝置, 兩滾筒直徑不等, 之間通過鏈傳動齒輪連接。主浮體和小浮體之間的纜繩纏繞在大滾筒上, 主浮體和錨泊系統(tǒng)之間的纜繩纏繞在小滾筒上。大滾筒旋轉(zhuǎn)放出的纜繩帶動小浮體上升的同時小滾筒旋轉(zhuǎn)收進(jìn)纜繩帶動主浮體下潛。大小滾筒的直徑比(周長比)和小浮體與潛標(biāo)主浮體浮力比成反比。假設(shè)D1,D2,F1,F2分別表示大、小滾筒的直徑及主浮體、小浮體在水中所受的浮力, 則有D1/D2=F1/F2, 即D1F1=D2F2, 推斷出小浮體測量平臺上升所作的功和主浮體下降所作的功大小相等,方向相反。同理,小浮體下降所作的功和主浮體上升所做的功相等。整個系統(tǒng)的工作原理利用了系統(tǒng)的能量守恒定律, 如圖 2所示。兩個同等質(zhì)量的物體懸掛于一根經(jīng)過滑輪轉(zhuǎn)向的繩索兩端, 當(dāng)滑輪轉(zhuǎn)動時, 一個物體上升,另一個物體下降, 在理想狀態(tài)下, 如果忽略滑輪的摩擦力, 重力對于上升物體和下降物體所做的功大小相等, 方向相反。即沒有外力作用下, 一個物體上升的同時另外一個物體下沉。我們可以認(rèn)為重力對下降物體所作的功通過繩索傳遞給上升物體成為克服重力上升所做的功。

圖2 儲能傳動系統(tǒng)原理Fig. 2 Operating principle of the energy-conserving transmission system

基于此原理, 我們設(shè)計了自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)能傳動系統(tǒng)。該系統(tǒng)由雙浮體組成, 浮體之間通過傳動儲能裝置連接。該傳動儲能裝置可以讓一個浮體上升的過程中另外一個浮體下降。浮力對小浮體測量平臺上升所做的功通過傳動儲能裝置提供給主浮體作為下降克服浮力所做的功[3-4]。反之,浮力對主浮體上升所做的功通過傳動儲能裝置轉(zhuǎn)換為小浮體下降所做的功。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng), 可以提供微小擾動, 破壞系統(tǒng)平衡, 使浮體按照設(shè)定程序上下運(yùn)動, 采集測量數(shù)據(jù)。因此該系統(tǒng)不消耗系統(tǒng)本身的能源就可以完成測量平臺的上升和下降過程。以上結(jié)論建立在系統(tǒng)沒有受到水流影響, 系統(tǒng)傳動摩擦損耗為零的理想狀況下。

當(dāng)小浮體全部下潛到水下時, 它是一正浮力浮體, 上升時可以依靠自身正浮力驅(qū)動, 理論上不需要外加電源。因此, 為降低能耗, 海洋要素的采集與存儲是在小浮體上升過程中完成的。但系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中, 由于水體重力、慣性力、粘性力及系統(tǒng)存在的機(jī)械摩擦力, 不可避免地會損失一些能量,所以在小浮體下潛過程中需外加電源補(bǔ)充少量能量。

2.2 驅(qū)動裝置

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由外殼、電機(jī)、電源、電路 PCB板、內(nèi)齒輪、外齒輪、外支架、內(nèi)支桿、端蓋等組成。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是一種自含式機(jī)構(gòu), 位于主浮體平臺的大滾筒內(nèi), 利用大滾筒作為電機(jī)的水密外殼。此外殼又作為儲能轉(zhuǎn)換裝置中小浮體信號引導(dǎo)纜的繞線滾筒, 這樣既節(jié)省了空間, 又簡化了能量傳遞, 增加了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。小浮體由信號引導(dǎo)纜牽引, 受電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動和控制。密封艙內(nèi)部中心軸處通過兩個端蓋架著一根長軸, 電機(jī)和電源集成所構(gòu)成的懸錘就懸掛在長軸的下端, 同時驅(qū)動電機(jī)通過齒輪和滾筒作用。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)軸轉(zhuǎn)動時,軸上的齒輪就會帶動艙體端蓋上的內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動, 由于電池重力較大, 垂直指向地心, 電機(jī)軸的位置幾乎不動, 從而帶動端蓋轉(zhuǎn)動, 而端蓋與整個密封艙外殼是固定在一起的, 這樣, 電機(jī)的轉(zhuǎn)動就帶動整個滾筒轉(zhuǎn)動, 大小滾筒間通過齒輪鏈接, 從而帶動整個儲能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動裝置采用靜密封技術(shù), 解決了動密封技術(shù)產(chǎn)生的摩擦?xí)p耗大部分能量的消耗和動密封易滲漏的問題, 降低了能量損耗。驅(qū)動機(jī)構(gòu)拆掉密封筒后其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示。

圖3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Drive installation with winch drum case removed

驅(qū)動機(jī)構(gòu)和小滾筒之間的能量傳遞選用具有高效水下傳動性能的鏈傳動。由于鏈傳動有縫隙可以讓水流暢通過, 從而減少了水體阻力及摩擦力。

3 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制存儲系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

功耗是一個系統(tǒng)的問題, 以單片機(jī)為核心構(gòu)成的系統(tǒng)其總能耗是由單片機(jī)能耗及其外圍電路能耗共同構(gòu)成的。單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計需要從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面綜合考慮。

C8051F340單片機(jī)為完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU[5], 工作電壓2.7～3.6 V, 典型值為3.3 V,它擁有靈活的時鐘硬件, 具有 IDLE、STOP、SUSPEND低功耗模式, 可以方便地在高效運(yùn)作模式和低功耗模式間進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 且有多種時鐘方案可供選擇。C8051F340單片機(jī)內(nèi)置高速振蕩器和低速振蕩器, 還可外接振蕩器, 每種振蕩器模式下有多種頻率可選, 不同的時鐘模式可以實(shí)時切換, 便于進(jìn)行低功耗控制。C8051F340單片機(jī)還可以在 5個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng), 大大節(jié)省了等待功耗。C8051F340單片機(jī)的I/O端口資源豐富, 設(shè)置靈活, 可以根據(jù)實(shí)際需要利用軟件通過相關(guān)寄存器的設(shè)置來配置I/O端口的I/O方式, 及時關(guān)閉片上沒有用到的外設(shè)。

單片機(jī)內(nèi)部的總電流消耗分為工作電流和漏電流, 這些電流在轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的其他能量形式的同時, 有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)換成熱能。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流, 并且工作電流和時鐘頻率近似為正比的關(guān)系, 降低時鐘頻率, 就可以有效降低單片機(jī)的功耗, 因此, 要降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗, 就要降低系統(tǒng)的工作電壓及運(yùn)行頻率?；谝陨戏治? 在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下, 在硬件選擇和設(shè)計中, 選用C8051F340單片機(jī)做主控芯片, SSR固態(tài)繼電器做主開關(guān)器件, 通過單片機(jī)的 SPI0串口外掛SD存儲卡海量存儲數(shù)據(jù), 利用串口轉(zhuǎn)換芯片及多路選擇開關(guān)分時選通傳感器。傳感器選用成熟的集成式數(shù)字傳感器, 自帶電源。通過電源管理模塊分別給CPU、SD存儲卡、串口轉(zhuǎn)換模塊及開關(guān)控制裝置等提供相應(yīng)的工作電壓[6]。由于工作電壓通常是恒定的, 因此, 要減小工作電流來降低系統(tǒng)的總功耗,是通過減小平均工作電流來實(shí)現(xiàn)的。平均工作電流是系統(tǒng)在單位時間內(nèi)消耗的電荷量。在此系統(tǒng)設(shè)計中, 其總的運(yùn)行時間分為兩部分： 高頻高效工作期和低頻低功耗休眠期。MCU在高效工作期的電流較大, 一般 15 mA, 而休眠期的電流很小, 一般只有74 μA。平均工作電流是系統(tǒng)在這兩部分時間內(nèi)的總電荷量除以對應(yīng)時間所得的平均值。所以為了減小平均工作電流, 就必須縮短高效工作期的時間, 盡量延長休眠時間[7-8], 為此, 利用 C8051F340單片機(jī)靈活的時鐘硬件, 使用雙時鐘方案, 設(shè)計了一個高速運(yùn)作模式和低速休眠模式。CPU在處理事件(采集存儲數(shù)據(jù)及實(shí)施開關(guān)控制等)時使用內(nèi)部24 MHz高速晶振, 休眠時切換到外部10 kHz低速振蕩器, 并關(guān)閉除了T2定時器以外的所有外設(shè)。也就是說, 系統(tǒng)采用工作-休眠-工作-休眠……的循環(huán)工作方式并使外設(shè)分時離散工作來達(dá)到減小平均工作電流,降低系統(tǒng)總功耗的目的。部分程序流程圖如圖4、圖5、圖6所示。

硬件低功耗設(shè)計離不開軟件的配合, 盡量將硬件應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中。本軟件設(shè)計中,使用“中斷”方式來響應(yīng)處理事件, 盡量減少 CPU的運(yùn)算量, 使用短的數(shù)據(jù)類型和字符型的8位數(shù)據(jù), 并避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算, 讓I/O模塊間歇運(yùn)行, 端口配置成漏極開路方式, 用PUSH-PULL方式驅(qū)動LED, 未用的I/O引腳設(shè)置成輸出或輸入, 并用外部上拉電阻拉高。不用的I/O模塊或間歇使用的I/O端口及時關(guān)閉,充分利用開關(guān)控制信號, 只在必要時選通激活相應(yīng)的外設(shè)[9-10]。

圖4 主程序流程圖Fig. 4 Flowchart of the main program

圖5 運(yùn)動狀態(tài)控制模塊流程圖Fig. 5 Flowchart of the control module for the movement mode

在實(shí)驗(yàn)室對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測試, 靜態(tài)電流消耗約為7 mA, 工作電流80 mA, 完全可以滿足系統(tǒng)要求。

圖6 下潛過程運(yùn)動流程圖Fig. 6 Flowchart of the submerging movement

4 結(jié)論

自治式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過引入儲能型的傳動裝置及對單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計, 實(shí)現(xiàn)了無人值守情況下對海洋要素垂直剖面的長期連續(xù)觀測, 滿足了海洋學(xué)研究、海上工程建設(shè)前期調(diào)查和海洋軍事上的需求, 提高了人類原位長期持續(xù)觀測海洋環(huán)境變化的能力, 是對傳統(tǒng)測量方法的有益補(bǔ)充。從以上介紹可以看出此監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： (1)具有安全連續(xù)性。系統(tǒng)采用雙浮體耦合技術(shù),利用小浮體搭載成熟的集成式傳感器, 根據(jù)事先設(shè)定的程序進(jìn)行 5～55 m任意深度安全連續(xù)地升降,可以全天候工作, 具有多參數(shù)測量以及單一傳感器的垂直剖面連續(xù)測量等多用途的特點(diǎn)。(2)具有高效節(jié)能性。系統(tǒng)利用儲能傳動裝置, 實(shí)現(xiàn)了水體壓力能及位能的直接轉(zhuǎn)化, 大大減少了后續(xù)維護(hù)和對動力電源的需求, 保證了系統(tǒng)運(yùn)行的長期穩(wěn)定性。此裝置可以應(yīng)用于不同海域、不同海況下。(3)具有低功耗、高可靠性。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制存儲系統(tǒng)的低功耗設(shè)計, 使得系統(tǒng)可以長期自動監(jiān)測海洋環(huán)境, 具有自治功能。

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Design of low-power consuming, autonomous ocean environment monitoring system

LIU Su-hua1, LI Si-ren2, XU Yong-ping2
(1. Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China; 2．Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Nov.,12,2010

low-power consumption; energy conserving; C8051F340 microcontroller; ocean environment

The work durability of a battery powered marine environment monitoring system is limited by the battery volume. Research on low-power consuming, autonomous ocean environment monitoring system had been carried out. To save energy and make full use of the water energy, this profiler adopted the technique of two-float assemblies by incorporating a small, instrumented profiling buoy with a fixed-point mooring main submersible buoy. An energy-conserving transmission had been developed under the energy conservation principle. Based on the analysis of the factors affecting power consumption, low-power design of the microcontroller data acquisition and control system had been completed. These designs could satisfy the abundant energy need for the long-term inplace operation of the ocean environment monitoring system. The prominent advantage of the system is not limited by the battery capacity and can provide 55 meters ocean elements continuous profiles relying on a single sensor group.

P715.4

A

1000-3096(2012)07-0001-06

2010-11-12;

2012-03-21

國家海洋局公益性項(xiàng)目 (201005027-6); 中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-JS203)

劉素花(1970-), 女, 山東青州人, 博士, 主要從事檢測、自動控制等方面的教學(xué)與研究, 電話： 0532-82898737, E-mail： liusuhua2003@126.com

(本文編輯：劉珊珊)