海底觀測網(wǎng)絡(luò)中能源監(jiān)控及管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

吳承璇，李正寶，呂 斌，祁國良，賀海靖

（1．山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；2．山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266001）

世界上海洋總面積約占地球面積的71%，海洋資源極為豐富。隨著陸上資源日益枯竭，環(huán)境破壞日益嚴(yán)重，認(rèn)識、探測、開發(fā)和利用海洋資源，保護(hù)海洋，已成為人類生存和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。海底觀測網(wǎng)絡(luò)通過將觀測儀器置于海底，以有線和無線方式向各個觀測點供應(yīng)能量、收集信息，從而實現(xiàn)全天候、長期、連續(xù)的自動觀測[1-2]。觀測范圍包括海底地殼深部、海底表面、海水水體及海面，觀測內(nèi)容涉及物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物等學(xué)科參數(shù)及其相互關(guān)系，對科學(xué)研究、資源開發(fā)及國家安全都具有重要意義。

美國早在1960年就開始在太平洋和西海岸海域部署水聲監(jiān)測系統(tǒng)(SOSUS)。之后，便受到加拿大、英國、德國、法國、日本等發(fā)達(dá)國家的響應(yīng)，海洋觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全面發(fā)展起來。目前主要建立有MARS系統(tǒng)、VENUS系統(tǒng)、NEPTUNE系統(tǒng)，ESONET系統(tǒng)、ARENA系統(tǒng)和DONET系統(tǒng)等[3-7]。

我國的海底觀測網(wǎng)絡(luò)研究整體晚于國外。近年來，在國家各項科研計劃項目的支持下，同濟(jì)大學(xué)[8]、浙江大學(xué)[9-10]、中科院沈陽自動化研究所[11]及山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所[12]等高校及科研院所均開展了相關(guān)研究并取得較好成果。但主要仍以研發(fā)為主，尤其是作為電源供應(yīng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換節(jié)點接駁盒部分的研究，與國外相比，還不十分成熟。為此，本文針對海底觀測網(wǎng)接駁盒能源監(jiān)測管理的具體應(yīng)用需求，設(shè)計出一種以MSP430單片機(jī)為控制核心的管理系統(tǒng)，系統(tǒng)多項參數(shù)通過外圍傳感器采集然后通過A/D芯片傳到單片機(jī)，單片機(jī)通過I/O口根據(jù)情況快速主動地在主電源與后備電源之間進(jìn)行切換控制，并通過以太網(wǎng)經(jīng)光電交換機(jī)與基站聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)由光纖將數(shù)據(jù)或視頻上傳基站服務(wù)器，并根據(jù)海岸基站發(fā)出的遠(yuǎn)程指令對電源管理系統(tǒng)進(jìn)行故障的應(yīng)急處理。

1 硬件總體方案設(shè)計

海底觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，即接駁盒，是整個海底網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的核心部分，需要為不同層面的海洋監(jiān)測設(shè)備提供差異性的電源及數(shù)據(jù)傳輸存儲支持，如對需要懸浮于海中不同深度的水聽器、海流剖面儀等提供系留點、電源/數(shù)據(jù)接口；對用于海底鉆探的大功率設(shè)備需保證大功率電源、定位、多點協(xié)同等服務(wù)。因此，考慮接駁盒需實現(xiàn)的上述功能，能源監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件總體方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 硬件總體設(shè)計方案

能源監(jiān)控管理系統(tǒng)分為岸基服務(wù)器和水下接駁盒兩部分，需測量的對象包括輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流、艙內(nèi)溫度、漏水檢測，共14路模擬信號，通信頻率為1 Hz?？紤]到接駁盒的小型化、可靠性的需求，結(jié)合工控機(jī)及單片機(jī)兩種硬件的實現(xiàn)特點，下位機(jī)采用單片機(jī)及高速A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)。能源監(jiān)控管理系統(tǒng)與岸基基站的工作流程為：基站監(jiān)控系統(tǒng)—光交換機(jī)—海底光電復(fù)合纜—接駁盒光交換機(jī)—串口網(wǎng)絡(luò)模塊—單片機(jī)。同時，單片機(jī)還可以和接駁盒主控模塊通信，進(jìn)一步提高接駁盒工作穩(wěn)定性和可靠性。

2 電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。S1、S2、S3和S4為4個全控型IGBT器件，S1和S4為一組，S2和S3為一組，組建成為一個全橋整流逆變電路，每一組為一個橋臂，每一橋臂能夠承受的電壓壓降是單個IGBT本身所能承受電壓的2倍。首先，在變壓器原邊端通過兩組IGBT交替工作形成脈沖回路；由PWM脈沖控制兩組IGBT器件，使兩條橋臂和變壓器線圈組成的回路以同樣的頻率交替導(dǎo)通關(guān)閉，將電流由直流高壓逆變?yōu)榻涣鞲哳l高壓。然后，在變壓器副邊，通過耦合作用得到額定轉(zhuǎn)換比例的交流低壓電流。最后，經(jīng)二極管FRD構(gòu)成的全橋整流后，再經(jīng)過電容E濾波即可得到期望的直流電源。經(jīng)過降壓模塊降壓后，電壓變?yōu)?8 V。再通過采用市面已有的DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，即可將電壓進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為接駁盒中各部件所需的電壓。高壓直流降壓模塊硬件電路見圖3。

圖2 全橋逆變結(jié)構(gòu)

圖3 高壓直流降壓模塊

3 供電電路及邏輯接口設(shè)計

3.1 供電電路設(shè)計

考慮海底網(wǎng)絡(luò)接駁盒水下工作低功耗的要求，本文采用自身功耗超低的MSP430作為主控芯片進(jìn)行主板供電。同時，為了補(bǔ)償MSP430外圍電路消耗的較高功耗，采用線性及負(fù)載調(diào)節(jié)性較好的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)芯片LM2596輔助供電電路設(shè)計，供電線路圖如圖4所示。LM2596能夠輸出3 A的驅(qū)動電流，器件內(nèi)置頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率150 kHz，避免增加低頻開關(guān)調(diào)壓器所需的大型濾波元件。

圖4 LM2596外圍電路設(shè)計

3.2 混合電壓的邏輯接口電路設(shè)計

MSP430單片機(jī)處理器及部分外圍電路使用3．3 V（包括3 V）電源，其中同時包含多種5 V電源驅(qū)動的邏輯器件和數(shù)字器件，因此需設(shè)計3 V（含3．3 V）邏輯系統(tǒng)和5 V邏輯系統(tǒng)間轉(zhuǎn)換的接口電路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。在接口電路設(shè)計中，需考慮邏輯信號電平匹配、負(fù)載電流配合及高速干擾等問題，為此，在本設(shè)計中采用功耗低、對噪聲抑制水平高的74LVC4245和74LVC07實現(xiàn)電平的平移轉(zhuǎn)換，驅(qū)動5 V電源系統(tǒng)的CMOS器件。

4 信號監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

4.1 電壓、電流檢測

目前的電壓傳感器從測量原理上主要分為霍爾電壓傳感器、光電隔離電壓傳感器、電隔離電壓傳感器、電磁感應(yīng)原理。本設(shè)計中選用準(zhǔn)確度、線性度和穩(wěn)定性都較好的霍爾電壓傳感器EHV50-2000 V，將電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識別的電壓值。

霍爾電壓傳感器實際上是一種特殊的原邊多匝的霍爾閉環(huán)電流傳感器，原理如圖5所示，基于霍爾閉環(huán)零磁通原理，既可以測量直流電壓，也可以測交流電壓和混合波形的電壓。優(yōu)點在于測量時一次側(cè)與二次側(cè)之間完全絕緣，測量輸出正比于被測電壓。在實際工作中，只需將檢測點電源兩端與傳感器輸入端直接相連，就可以通過電壓傳感器將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號進(jìn)行檢測。

電流的檢測與電壓檢測類似，由隔離傳感器采樣并送入到單片機(jī)中處理。系統(tǒng)電流檢測元件選用LEM公司的開環(huán)霍爾電流傳感器FHS 40-P/SP600。該芯片可測量0～100 A電流，測量精度最高可達(dá)200 mV/A，能夠滿足本設(shè)計需求。

圖5 電壓傳感器霍爾原理圖

4.2 溫度檢測

考慮接駁盒結(jié)構(gòu)的特殊性，溫度測量主要起保護(hù)作用，各器件的工作溫度范圍都較寬，溫度檢測不需要太高的精度。為此，本設(shè)計選用測試靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、壽命長的NTC熱敏電阻作為敏感元件，通過在艙內(nèi)壁和支架上放置NTC熱敏電阻來實現(xiàn)系統(tǒng)溫度檢測。溫度傳感器采集溫度值可通過如下電阻值及溫度變化關(guān)系式求得。

溫度采集電路通過運(yùn)算放大電路、恒壓源及可調(diào)電阻實現(xiàn)，并針對溫度異常設(shè)置70℃、50℃兩個溫度報警上限。當(dāng)單片機(jī)檢測到溫度超過50℃警戒限時，只發(fā)出報警信息但不主動執(zhí)行處置指令；當(dāng)超過70℃警戒限時，主動關(guān)斷所有供電，并向上位機(jī)發(fā)送報警信息，執(zhí)行上位機(jī)的處置指令。

4.3 漏水監(jiān)測

對于應(yīng)用于海洋環(huán)境的儀器，漏水檢測是監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，該設(shè)計主要由感知海水濕度的濕度傳感條、導(dǎo)線環(huán)、絕緣套組成。將濕度傳感條布放在接駁盒艙體端蓋溝槽內(nèi)，正常情況下，由濕度傳感條形成的導(dǎo)線環(huán)與端蓋、艙體不導(dǎo)通，濕度傳感條是絕緣的。當(dāng)濕度傳感條遇到海水時，導(dǎo)線環(huán)和接駁盒艙體形成回路，電路電壓發(fā)生變化，可通過檢測電壓變化確定是否發(fā)生漏水。

4.4 數(shù)據(jù)傳輸

海底觀測網(wǎng)接駁盒的數(shù)據(jù)傳輸主要分為兩部分，一是內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)處理后輸送到AD轉(zhuǎn)換器；二是搭載儀器或設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過RS485串行通訊口，再經(jīng)串口服務(wù)器通信傳輸給單片機(jī)。為此，在接收到數(shù)據(jù)后，單片機(jī)需對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化處理，存儲于下位機(jī)存儲器內(nèi)。然后將數(shù)據(jù)與系統(tǒng)預(yù)置的檢測參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)異?；虺迺r進(jìn)行預(yù)案處理，并通過RS232串口與光電交換機(jī)通信，向基站發(fā)送報警信息。

5 試驗

圖6 膠州灣海底觀測網(wǎng)節(jié)點實驗

本文所研制的硬件系統(tǒng)在室內(nèi)實驗測試通過后，為了進(jìn)一步測試海底觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在實際海洋環(huán)境中的工作性能，項目組在膠州灣岸邊試驗站鋪設(shè)500 m光電復(fù)合海纜，組成海底主干傳輸網(wǎng)，連入本文所設(shè)計的海底觀測網(wǎng)絡(luò)接駁系統(tǒng)及溫鹽深傳感器，進(jìn)行測試。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集連續(xù)可靠，節(jié)點布放及數(shù)據(jù)采集情況如圖6所示。

6 結(jié)論

根據(jù)海底觀測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中對能源供給的實際需求，本文設(shè)計了一種能源監(jiān)控及管理的硬件系統(tǒng)。通過對電源轉(zhuǎn)換、供電及邏輯接口、信號監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸?shù)入娐返哪K化設(shè)計，實現(xiàn)了海底觀測網(wǎng)絡(luò)的長期連續(xù)供電，一方面保證在線能源和備用能源的自動切換，一方面實現(xiàn)對電能供給系統(tǒng)的實時在線遠(yuǎn)程監(jiān)控。試驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的能源監(jiān)控及管理系統(tǒng)硬件穩(wěn)定可靠，能夠滿足海底觀測網(wǎng)絡(luò)對能源監(jiān)測、管理及數(shù)據(jù)處理的實際需求，具有較好的應(yīng)用前景。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)海底觀測網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，在以后的研究中，仍需著力解決能源管理系統(tǒng)檢測到故障后的自愈技術(shù)，包括能源故障、通訊故障及接口故障等。

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