南極近岸海洋環境自動監測系統的研制

作為地球系統的重要組成部分，北極是世界氣候變化的重要敏感區和驅動區。進行極地海洋環境的監測與研究,對于揭示極地海洋環境的快速變化及其對地球變化的響應與反饋作用具有重要意義。但是受極地惡劣氣候條件的限制,目前對極地海洋環境的調查活動主要集中在南極無冰的夏季,采用傳統的船基調查方式開展。由于海冰的限制,對極地冰下(或水下)觀測手段還很缺乏,無法得到全年連續的監測數據。這大大制約了對相關海洋科學過程的深入研究。為了能夠深入了解極地海洋的物理和生物學過程,分析生態系統與環境快速變化之間的相關性,以我國南極長城站近海作為試驗區,研制了一套適用于極區的站基海洋動力和生態環境自動監測系統,并分別于2009年11月—2010年1月、2010年11月—2011年1月隨中國第26次、第27次南極考察隊在南極長城站長城灣海域進行了布放和運行。1水下數據接收系統系統按功能分為水下測量系統、數據傳輸和供電系統、數據接收系統三部分。水下測量系統對包括溫度、鹽度、深度、pH、有效光合輻照度(PAR)、氧化還原電位(ORP)、葉綠素、海流在內的生態要素及動力要素進行長期連續監測;數據傳輸和供電系統即數據傳輸和供電電纜,由岸站實驗室引出經橋架進入潮間帶預埋管,之后沿著海底連接到水下數據采集系統,主要負責岸站到水下測量系統的供電傳輸,并將水下測量系統采集的數據傳至岸站實驗室的上位機;數據接收系統由上位機及數據采集軟件組成,負責定時從水下測量系統讀取監測數據(系統示意圖見圖1)。水下測量系統由剖面測量部分和坐底測量部分組成。剖面測量部分主要由第一層剖面測量單元、第二層剖面測量單元、第三層剖面測量單元組成,其中第一層剖面測量單元、第二層剖面測量單元固定在承重纜上對溫度、鹽度、深度、葉綠素、PAR、ORP和pH七個參數進行測量,第三層剖面測量單元固定在坐底平臺上對溫度、鹽度、深度三個參數進行測量。坐底測量部分即測量海流的ADCP,固定在坐底平臺的常平架上。水下測量系統的示意圖如圖2所示。2結構設計系統的結構設計主要包括系留部分及控制艙的設計。系留部分包括坐底平臺、Kevlar承重纜、主浮體、釋放機構、常平架以及系統連接裝置。2.1其余的設計2.1.1平臺的重量要求坐底平臺有錨定整個系統、安裝常平架、控制艙、釋放機構等功能。為保證系統的穩定,坐底平臺必須有足夠的重量。但是考慮系統布放和回收的難度,坐底平臺不宜過重。坐底平臺采用“天圓地方”的框架結構,材料選用316L不銹鋼棒。平臺上除了安裝用于固定ADCP的常平架外,還要固定釋放機構、控制艙等。根據力學計算結果,通過增減錨塊調節坐底平臺的沉重。2.1.2系統分組成設計常平架又稱萬向環,由底盤、外轉環、內轉環、轉軸和連接板四部分組成(見圖3)。本系統中常平架內置于坐底平臺的頂部,其上固定ADCP,通過沿兩個垂直的轉軸旋轉保持ADCP豎直工作姿態。常平架的材料選用316L不銹鋼,其表面進行防腐噴涂處理。2.1.3重建纜及其他重纜等數在系留系統中通過特殊材料加工的卸扣將主浮體、承重纜、測量單元、坐底平臺等依次連接。在主浮體和第一層剖面測量單元之間接入防腐材料制成的轉環以釋放海流帶給系統的扭矩。2.2聚甲醛材料的選用控制艙(見圖4)用來放置控制電路、數據采集電路等。控制艙外殼選用耐腐蝕的聚甲醛材料,控制艙的設計考慮了耐壓、密封等問題。同時,由于控制電路放置于艙內,故控制艙內部結構設計采取了防電磁干擾措施。系統的結構設計完成后,其水下工作平臺示意圖如圖5所示。3系統控制3.1數據傳輸裝置系統采用單片機實現測量系統的電源控制和數據采集功能。電纜數據傳輸采用串行通信的方式,由于是長距離(傳輸距離1km)傳輸,綜合考慮選用RS485總線實現系統數據傳輸。系統的測量傳感器包括第一層的SBE16-A,第二層的SBE16-B以及底層的SBE37和ADCP。測量數據通過雙4通道的模擬開關,再經RS232接口芯片進入C8051單片機,然后由RS485接口芯片經RS485/RS232轉換器傳輸到上位機。為了提高數據的安全性,對第一層第二層傳感器附加儲存器對測量數據實時存儲。數據信息的傳輸過程見圖6。3.2dc電源模塊系統采用岸基有纜低壓直流傳輸方式供電,水下部分采用DC-DC電源模塊供電。由于電纜長期暴露在低溫環境中,要求其具有良好的抗低溫性能。為提高其耐磨性,防止海底對電纜內部電源線和信號線造成損傷,外加兩層聚氨酯護套,中間采用鎧裝保護。3.3整體控制方案設計從傳感器到控制艙間的傳輸,考慮到距離較長,第一層和第二層傳感器的數據采集采用RS485總線實現傳輸;底層的ADCP和CTD距控制艙較近,采用RS232串口傳輸。軟件設計方面,根據數據類型和海水層的不同,對第一層和第二層傳感器采集數據進行時序設定,將兩層數據采集時間錯開,兩層的數據采集時間分別為t0和t1(圖7)。底層包括CTD和ADCP兩個傳感器,故也要分時進行數據采集(圖8)。在采集數據時序劃分基礎上,進行軟件設計,對各個傳感器的采集數據是按照時序順序執行,直到最后發送出去由上位機通過RS232接收,發送流程如圖9所示。4上位機軟件設計水下測量系統與岸站實驗室內上位機之間的數據通信過程為上位機定時向水下采集系統發送采樣指令,水下采集系統接收到采樣指令后分時對各層傳感器單元進行數據采集,然后把采集到的各傳感器數據打包發送回上位機,上位機接收并處理數據。上位機軟件利用面向對象的編程語言VisualBasic6.0開發。上位機軟件包括三大功能:控制指令的發送及數據接收功能;自動發郵件功能;數據回放功能。前兩個功能為定時自動執行,數據回放功能為手動執行。上位機定時通過串口向下位機發送控制指令,下位機接收控制指令并依次采集各個傳感器數據,數據打包以后立即由串口發送至上位機,上位機接收數據包,在上位機軟件界面上顯示各傳感器測量數據,并把數據按固定格式分別儲存到指定路徑下的兩個文本文件:一個僅保存當日的采集數據;另一個保存所有采集到的數據,每次的采樣數據都追加保存。上位機自動把保存當日數據的文件以附件的形式發送到指定電子郵箱。4.1上位機軟件設計上位機通過“問答式”對下位機進行控制,上位機向下位機發送采樣指令,下位機接收到采樣指令后對進行分時采樣,然后把數據打包發回,上位機收到數據后進行儲存,同時在上位機軟件界面上顯示最近一次的采樣數據。上位機軟件界面如圖10所示。上位機通過串口與下位機之間進行控制指令及監測數據的傳輸。在程序設計過程中,通過引用或設置MSComm控件的屬性、事件和方法,實現上位機與下位機的串口通信。上位機控制指令的發送及監測數據接收流程如圖11所示。上位機開始工作后,到達時間點后向下位機發送采樣指令,下位機開始將采樣數據包傳輸至上位機,接收完成后,上位機界面顯示各傳感器測量數據。采樣數據同時被保存為文本文件,如圖12所示。4.2至指定號碼自動發郵件功能是定時把當日數據文件發送至指定郵箱。這樣科研人員能夠及時方便地獲取南極長城灣海域生態環境及動力要素的監測數據。自動發郵件流程如圖13所示。4.3數據曲線圖的繪制上位機軟件將數據保存后,不能直觀查看某一傳感器測量值的變化趨勢。數據回放功能把各個測量值單獨繪制隨時間變化曲線,便于查看其隨時間的變化趨勢。選擇單日數據文件進行數據回放時,繪制當日數據曲線;選擇總的數據文件進行數據回放時,可以查看各個選定時間段內的數據曲線。數據回放流程如圖14所示。利用微軟MSChart控件繪制數據曲線圖。添加MSChart對象以后,通過ChartType,Title,Footnote,Plot等屬性對圖表類型和外觀顯示等信息進行設置。采樣數據按照圖12中的格式進行保存,把各傳感器數據從各次采樣的數據中提取形成一個按采樣時間排列的數組,再將數組賦值給MSChart對象的ChartData屬性繪制出對應傳感器數據的曲線圖。數據提取過程如圖15所示。5現場試驗的完成情況現場試驗的目的是要考核系統在南極環境中工作的可靠性,獲得長期監測數據。2009年11月—2010年1月,2010年11月—2011年1月隨中國第26次、第27次南極科學考察隊赴中國南極長城站進行了系統的現場試驗。第一次現場試運行以及第二次現場試驗期間,該系統一直工作穩定。現場試驗結果表明系統能夠按照設計要求正常工作,水下測量系統到上位機的通訊正常,測量數據經上位機軟件打包后能夠通過郵件形式在每天指定時間發送到互聯網上。6現場試驗