摘要:為了保障海洋探測設(shè)備的順利回收,盡可能減少人員或財產(chǎn)的損失,利用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)模塊以及防水電磁鐵等相關(guān)器件,設(shè)計了一種智能且通用的水下自救釋放系統(tǒng)。旨在水下設(shè)備遇到危險時,自救釋放器釋放自救浮標(biāo),用于告警和定位水下設(shè)備,使其安全回收,也可用于水下工作人員或其他水下目標(biāo)的水面定位。
關(guān)鍵詞:自救釋放器;自救浮標(biāo);GPS;GSM/GPRS;AUV
0 引言
用于水下探測的設(shè)備品種繁多且價格昂貴,在海上實驗時如何保障這些設(shè)備的順利回收,盡可能減少損失,成為人們關(guān)注的焦點之一。目前的常用方法是為水下設(shè)備定制一套自救系統(tǒng)以保證其安全,但是這種方法一方面增加了設(shè)備的成本和研發(fā)周期,另一方面是其自救部分不具有通用性,應(yīng)用范圍受到很大限制。甚至許多水下探測設(shè)備沒有自救裝置,主要是依靠工作人員的保障措施,如固定設(shè)備或加系纜繩等。
本文旨在設(shè)計一種高可靠性,低成本且通用的水下自救釋放器及與其配套的自救浮標(biāo),可以用于定位水下設(shè)備,保障其安全回收。
1 系統(tǒng)總體方案
該系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。其結(jié)構(gòu)主要包括自救浮標(biāo)、釋放機構(gòu)和控制艙3部分。自救浮標(biāo)在備出現(xiàn)危險時被釋放以通知岸上人員回收設(shè)備,釋放機構(gòu)主要負(fù)責(zé)自救浮標(biāo)的釋放,而控制艙則是采集設(shè)備數(shù)據(jù)進行決策控制的核心。
自救浮標(biāo)中裝有GPS模塊、GSM/GPRS模塊;釋放機構(gòu)主要部件是防水電磁鐵,并以機械儲能的方式釋放浮標(biāo);控制艙內(nèi)主要是以sPIC30F 4011單片機為處理核心的控制板,完成浮標(biāo)釋放命令的執(zhí)行、參數(shù)配置命令的處理以及外部設(shè)備電源電壓、工作溫度、深度的采集等任務(wù)。艙內(nèi)還有電源管理模塊以實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和蓄電池的充放電管理等。
該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。
命令接收及數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)接收外部命令和采集外部設(shè)備的工作參數(shù)。數(shù)據(jù)處理及判斷模塊是數(shù)據(jù)處理的核心,它根據(jù)命令接收及數(shù)據(jù)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)進行判斷,進而采取相應(yīng)的措施,如通過顯示屏顯示數(shù)據(jù),用LED顯示外部設(shè)備的工作狀態(tài)和釋放自救浮標(biāo)等。電源管理模塊為控制艙電路板提供穩(wěn)定的電源、管理蓄電池的充放電。
2 控制艙設(shè)計
控制艙核心處理器采用dsPIC30F4011單片機并嵌入實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ,用來完成參數(shù)采集、通信、數(shù)據(jù)判斷以及釋放浮標(biāo)等任務(wù)的執(zhí)行與調(diào)度??刂婆撏獠坑?種接口:串口接口、A/D輸入接口、充電接口、聲學(xué)釋放命令擴展接口以及應(yīng)急釋放按鈕(見圖1)。在使用時,需先通過串口以一定協(xié)議格式對釋放器監(jiān)測參數(shù)進行配置(如設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)危險上限值等),此時需要上位機軟件,其中上位機與單片機以串口的形式進行通信。出現(xiàn)危險時可通過串口向釋放器發(fā)送釋放浮標(biāo)指令或釋放器自身通過A/D輸入接口監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)進而判斷釋放浮標(biāo)。聲學(xué)釋放命令擴展接口用于接收岸上人員發(fā)送的聲學(xué)釋放浮標(biāo)命令,該接口為擴展接口。應(yīng)急釋放按鈕用于水下作業(yè)人員通過按鈕釋放浮標(biāo)。此外艙外還有LED燈,用于顯示數(shù)據(jù)和外部設(shè)備的工作狀態(tài)。艙內(nèi)配有LCD顯示屏,供開發(fā)調(diào)試使用。
在數(shù)據(jù)參數(shù)閾值判斷方面,由于水下探測設(shè)備一般都會自帶有溫濕度傳感器等裝置,水下探測設(shè)備控制中心只需要通過串口將自身的各種特征值(如溫度、濕度、深度、設(shè)備電壓電流等)傳給自救系統(tǒng)控制即可。之后,控制艙將實時監(jiān)測這些數(shù)據(jù)的變化,一旦某一項數(shù)據(jù)超過危險值上限,控制艙驅(qū)動釋放器釋放自救浮標(biāo),從而通知岸上人員對設(shè)備進行及時回收。[!--empirenews.page--]
3 釋放器設(shè)計
自救浮標(biāo)釋放機構(gòu)主要采用防水電磁鐵來實現(xiàn),而該電磁鐵的吸合與釋放主要通過繼電器來驅(qū)動。程序設(shè)定為當(dāng)控制艙單片機的I/O引腳輸出為低電平時,繼電器打開,電磁鐵上電。自救浮標(biāo)就會從釋放機構(gòu)脫落并且上浮,從而實現(xiàn)對外報警和自救的功能,如圖3所示。
4 自救浮標(biāo)設(shè)計
自救浮標(biāo)的設(shè)計主要是三方面:一是信號接收,即通過GPS模塊接收衛(wèi)星定位信號并發(fā)送給微處理器;二是控制和無線通信,通過微處理器控制GSM/GPRS模塊建立網(wǎng)絡(luò)鏈接,把報警信號和定位信號以短信的方式發(fā)送給岸基控制中心;三是能源方面,鑒于浮標(biāo)是在海面上,采用獨立電源供電保證了系統(tǒng)有足夠的續(xù)航時間。
自救浮標(biāo)的外形設(shè)計如圖4所示。其中,頂部放置射頻天線,此處采用低功耗的ZYM-GA45(W)-3 GPS接收器和BENQ22GRPS收發(fā)模塊,用來接收GPS信號,發(fā)射GSM/GPRS信號。天線下的浮球用泡沫材料做成,用來保證天線通信的順暢并保持浮標(biāo)在水中的平衡。浮標(biāo)中間放置電路板和通信模塊。電路板下層放置系統(tǒng)供電電池。浮標(biāo)底部放置較重物品用來對浮標(biāo)進行配重,以使浮標(biāo)穩(wěn)定地漂浮;最底部是防水接頭,通過線纜與水下探測設(shè)備連接以進行拖曳,同時還完成與目標(biāo)通信的功能。浮標(biāo)外殼采用甲醛樹脂材料加工制作,保證了系統(tǒng)的堅固、防水。
當(dāng)自救浮標(biāo)從釋放機構(gòu)脫離后,浮標(biāo)部分便自動加電運行。開啟GPS模塊用來接收衛(wèi)星定位信號,同時把該信號傳送給微處理,微處理器通過發(fā)送指令來控制GPS模塊跟GSM/GPRS模塊,保障二者穩(wěn)定工作。GSM/GPRS模塊收到微處理器的指令以后,將GPS定位信號以短信的方式發(fā)送給主控制臺。主控制臺通過系統(tǒng)的處理,把定位信號在GIS電子地圖上顯示出來,使工作人員能夠迅速地找出浮標(biāo)所在位置。
為了保證自救浮標(biāo)部分有足夠的續(xù)航時間,除了在電路部分采用低功耗芯片和低功耗模塊以外,電源的設(shè)計也是重點,它關(guān)系到整個自救系統(tǒng)的壽命,甚至整個系統(tǒng)的可行性。浮標(biāo)系統(tǒng)采用6000mA鋰電池單獨供電,可在不影響浮標(biāo)上浮的情況下保障系統(tǒng)連續(xù)工作48h以上。
5 系統(tǒng)調(diào)試與驗證
5.1 控制艙部分
系統(tǒng)上電運行后,首先測試液晶顯示及各傳感器的數(shù)據(jù)采集是否正常,再進行參數(shù)配置。此時需要上位機軟件。在PC機上編寫如圖5示的VC界面,以設(shè)置特征值上限。PC與單片機以串口的形式進行通信,通信協(xié)議如表1和表2所示。
有關(guān)表1的通信協(xié)議解釋:PC機通過串口向釋放系統(tǒng)發(fā)送此條命令,以配置釋放器監(jiān)測參數(shù)。‘S’表示參數(shù)配置命令。濕度,溫度,工作時間,深度,設(shè)備電壓是要配置的參數(shù)上限。如果釋放系統(tǒng)傳感器測試到的濕度,溫度,工作時間,深度以及設(shè)備電壓等某一項指標(biāo)超過既定上限,則釋放浮標(biāo)。[!--empirenews.page--]
有關(guān)表2的通信協(xié)議解釋:外部設(shè)備通過串口與釋放系統(tǒng)相聯(lián),只要外部設(shè)備出現(xiàn)異常,就會發(fā)送此條釋放命令,釋放浮標(biāo)。‘P’表示浮標(biāo)釋放命令。
在圖5中,硬件連好后,在文本框中填入要設(shè)置的參數(shù)上限值,然后點擊打開串口按鈕,再點發(fā)送。單片機接收到參數(shù)配置命令后,啟動參數(shù)配置任務(wù),如果參數(shù)配置成功,則會返回一條參數(shù)配置成功命令到PC,PC接收成功后,在文本框中顯示“參數(shù)配置成功!”。
5.2 釋放機構(gòu)部分
測試時,通過模擬實際環(huán)境特征,比如給溫度傳感器一個高溫度,控制艙主任務(wù)探測到溫度異常后觸發(fā)釋放浮標(biāo)任務(wù),浮標(biāo)脫落。而像工作時間、深度、設(shè)備電壓上限值等的操作步驟和效果與溫度類似,不再贅述。
5.3 自救浮標(biāo)部分
浮標(biāo)控制電路如圖6所示。在測試時,插上SIM卡,并接上GPS和天線,然后接上電源,系統(tǒng)提取了時間、經(jīng)度和緯度信息,并成功發(fā)送到手機號碼為151****4500的手機上。設(shè)置的發(fā)送頻率為3 min發(fā)送一條信息,發(fā)送頻率可以通過手機發(fā)送短信進行設(shè)置。也可以通過發(fā)送短信或打電話的形式停止或者啟動短信的發(fā)送。
6 結(jié)語
通過實踐驗證,控制艙能穩(wěn)定地采集環(huán)境特征值,并且在環(huán)境特征出現(xiàn)異常時給電磁鐵上電,釋放浮標(biāo);自救浮標(biāo)也能正常上浮并發(fā)送GPS定位信息給岸基控制中心。整個系統(tǒng)具有較高的可靠性和較長的續(xù)航時間。