文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.023
中文引用格式: 宋婷婷,,羅瑞龍. 基于無線網(wǎng)橋的水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(3):81-83.
英文引用格式: Song Tingting,,Luo Ruilong. Remote data acquisition system for water photosynthetically available radiation based on wireless bridge[J].Application of Electronic Technique,2016,,42(3):81-83.
0 引言
水生綠色植物的生長依賴光合有效輻射(Photosynthetically Available Radiation,,PAR)[1],。通過獲知水體內(nèi)PAR的分布情況,能夠?yàn)樗w生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐,。目前廣泛應(yīng)用的水下PAR測量方法有遙感模型估算法和實(shí)地測試法,。遙感模型估算法主要應(yīng)用于海洋輻射分布計算,但多數(shù)模型是對大氣輻射傳輸模型的簡化,,誤差較大,,且需要地面實(shí)測數(shù)據(jù)的校正[2]。實(shí)地測試法是由試驗(yàn)人員手動或船上絞車自動將傳感器投放至水下,,測量不同深度水體的PAR值[3],。實(shí)測法所得數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確,但受到人員,、設(shè)備及船舶等的陰影效應(yīng),,使得有效測試時間短(正午前后),測試成本較高,,操作安全性也需注意,,因此有必要開發(fā)一套易于操作的水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng),。該系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù),,實(shí)現(xiàn)了水下光合有效輻射和其他水質(zhì)參數(shù)的自動測量,、顯示及存儲,在降低試驗(yàn)成本的同時增加了水面試驗(yàn)的安全性,。
1 系統(tǒng)原理
基于無線網(wǎng)橋傳輸?shù)乃鹿夂嫌行л椛溥h(yuǎn)程測試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集,、升降機(jī)構(gòu)和無線收發(fā)3部分組成,其中數(shù)據(jù)采集卡是系統(tǒng)的核心組件,。為了便于水面測試,,將由數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器等組成的測控箱經(jīng)良好密封后固定在浮體上,,并錨定或系泊在測試點(diǎn)附近,。傳感器借助一個剛性支架延伸至測試點(diǎn)水面上方,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的絞車控制其下降或上升,,從而獲得不同深度的PAR數(shù)據(jù),。PAR傳感器信號比較微弱,需經(jīng)外置信號調(diào)理模塊放大,,再輸入到多通道數(shù)據(jù)采集卡,。無線網(wǎng)橋?qū)y試現(xiàn)場的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控計算機(jī),同時將計算機(jī)發(fā)出的控制指令傳遞給數(shù)據(jù)采集卡,,以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向,。
2 水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的硬件組成
測試系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示,其中升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī),、驅(qū)動器及繞纜卷筒組成,。數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和無線網(wǎng)橋接入點(diǎn)(Access Point,,AP)等小功率設(shè)備由同一塊12 VDC鋰電池供電,,可持續(xù)不間斷測試7天;升降機(jī)構(gòu)由4塊12 VDC鉛酸蓄電池串聯(lián)供電,,可維持電機(jī)不間斷工作20 h,。在測控箱上設(shè)計有專用充電接口,為上述蓄電池進(jìn)行外部充電,。穩(wěn)定的電源供電,,使得系統(tǒng)可在水面上長時間工作,也為將來加裝太陽能電池板提供了升級空間,。
2.1 傳感器
該系統(tǒng)目前安裝有3類4個水下傳感器,,分別是下行/上行PAR傳感器、濁度計及深度計。系統(tǒng)仍有相當(dāng)多的冗余通道可用于安裝其他類型水下傳感器,。
PAR傳感器選用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-192SA型光量子傳感器(Φ31.8×46.2 mm),其探頭精度高,,完全校準(zhǔn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所標(biāo)準(zhǔn)的±5%,;線性度最大偏差僅為1%;穩(wěn)定性為一年內(nèi)變化小于±2%,;反應(yīng)時間為10 μs,;溫度依賴最大為±0.15%/℃;經(jīng)余弦修正,,45°仰角內(nèi)全周方位角誤差小于±1%,;測試水深最大為560 m。2個LI-192SA型傳感器分別用于測試太陽光入水后折射形成的下行輻射和經(jīng)下層水體反射形成的上行輻射,。
濁度計選用英國CTG公司生產(chǎn)的UniLux單參數(shù)熒光計(Φ26.5×105 mm),,其動態(tài)測量范圍為0~200 FTU;測試精度小于0.04 FTU,;采樣頻率為1~3 Hz,;模擬輸出電壓為0~5 V;測試水深最大為600 m,。
深度計選用國產(chǎn)PTJ301型投入式水位傳感器,,100 m量程內(nèi)的綜合精度為0.2%FS;模擬輸出電壓為0~5 V,;長期穩(wěn)定性為每年0.1%FS,;在機(jī)械振動頻率為20~1 000 Hz范圍內(nèi),其輸出變化小于0.1%FS,。
傳感器固定安裝于鋁合金支架,,并隨之吊放至水下,扁平的布放結(jié)構(gòu)可減少垂直方向橫截面積,,降低水阻力,,有效減小支架陰影產(chǎn)生的測量誤差。
2.2 數(shù)據(jù)采集卡
該系統(tǒng)選用國產(chǎn)EM-9636BD型多功能16 bit數(shù)據(jù)采集卡,,誤差小于0.02%,;數(shù)據(jù)接口為10/100 M以太網(wǎng)接口,支持TCP/IP協(xié)議,;緩沖區(qū)為8 Mbit,,主動上傳,自動重發(fā),;采樣頻率最大為250 kHz,;可選多種模擬信號(A/D)輸入范圍,本系統(tǒng)為0~5 V,;A/D通道為單端32路/雙端16路,;D/A通道為4路,;支持3路脈寬調(diào)制輸出(Pulse-Width Modulation,PWM),;DI/DO通道為16路,;工作溫度范圍為-20 ℃~70 ℃。
2.3 升降機(jī)構(gòu)
系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)用于吊放/回收傳感器及其支架,,步進(jìn)電機(jī)的控制電流由驅(qū)動器提供,,通過柔性聯(lián)軸器與繞纜卷筒聯(lián)接構(gòu)成小型絞車,控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速即實(shí)現(xiàn)傳感器在水中升降及速度調(diào)節(jié),。其中,,電機(jī)選用國產(chǎn)86型兩相混合式步進(jìn)電機(jī),技術(shù)指標(biāo)及要求:防水等級為IP68,;保持力矩為2.8 N·m,;步距角為1.8°。步進(jìn)電機(jī)有3種控制信號,,包括啟停信號,、方向信號及速度脈沖信號,分別由數(shù)據(jù)采集卡的DO通道和PWM通道輸出,。傳感器升降的速度可按照下式計算得到:
式中:v為升降速度,,θ為步進(jìn)電機(jī)步距角,f為PWM脈沖頻率,,D為繞纜卷筒直徑,,n為繞纜圈數(shù)(0,1,,2,,3…),d為繞纜直徑,。
2.4 無線網(wǎng)橋傳輸
傳感器信號經(jīng)金屬導(dǎo)線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,,不可避免地受到電磁干擾和信號衰減的影響,且電纜成本較高,,而水上架纜和維護(hù)更為困難,。無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)是解決上述問題的理想方案,它可將相距數(shù)百米至數(shù)十千米不等的兩個或多個獨(dú)立的無線局域網(wǎng)段與有線局域網(wǎng)段進(jìn)行物理介質(zhì)層(Media Access Control,,MAC層)互聯(lián),。無線網(wǎng)橋的工作方式有3種,分別是點(diǎn)對點(diǎn),、點(diǎn)對多點(diǎn)及中繼連接,,支持802.11b/g/n(2.4 GHz頻段)協(xié)議和802.11a(5.8 GHz頻段)協(xié)議,傳輸速率理論上高達(dá)300 Mb/s,可以滿足視頻級無線傳輸需求[4],。進(jìn)行水面測試時,,無線網(wǎng)橋比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)連接方式更具優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)無線網(wǎng)橋適用于室外條件,,且江河湖海等水體表面無高大的障礙物,,可獲得最佳的數(shù)據(jù)傳輸效果;
(2)無線網(wǎng)橋在覆蓋范圍內(nèi)抗干擾能力強(qiáng),,基本沒有信號衰減,數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿撸?/p>
(3)配合全向天線組成無線接入點(diǎn),,監(jiān)控點(diǎn)可以自由選擇位于船上或岸上,,無需考慮水上測試平臺的朝向;
(4)網(wǎng)絡(luò)配置時間短,,配對成功后上電即可自動識別連接,,且出現(xiàn)故障時只需維護(hù)兩端無線網(wǎng)橋設(shè)備即可,能快速解決問題,。
本系統(tǒng)選用國產(chǎn)AOK-2412型無線網(wǎng)橋及2根16 dBi全向天線作為無線接入點(diǎn)AP,,選用AOK-2415型無線網(wǎng)橋作為站(Station),工作頻段為2.4 GHz,,設(shè)置為點(diǎn)對點(diǎn)收發(fā)模式,,信道帶寬為40 MHz,覆蓋范圍為3~5 km,。為避免周邊同頻率無線設(shè)備的干擾,,可適當(dāng)選擇或更改信道。AP端的供電由前述12 VDC鋰電池提供,,數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線與數(shù)據(jù)采集卡相連,;Station端的供電由24 VDC/POE(Power Over Ethernet,以太網(wǎng)供電)模塊提供,,數(shù)據(jù)接入計算機(jī)RJ45接口,,如圖2所示。
3 水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件基于LabVIEW平臺和Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行開發(fā),。
3.1 Modbus/TCP協(xié)議
Modbus/TCP協(xié)議是開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,,采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)模式進(jìn)行報文傳輸,該模式下包括4種基本類型報文,,分別是“請求”,、“指示”、“響應(yīng)”和“證實(shí)”,??蛻魴C(jī)首先發(fā)送啟動事務(wù)處理的請求,服務(wù)端接收到該指示后發(fā)出響應(yīng),執(zhí)行動作,,客戶機(jī)接收到響應(yīng)后給出證實(shí),。
與一般的Modbus協(xié)議不同,Modbus/TCP使用了一種專用報文頭識別Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元,,即MBAP(Modbus Application Protocol)報文頭[5],。MBAP報文頭占用7個字節(jié),分為4個域:事務(wù)元標(biāo)識符(2 bit,,識別待處理事務(wù)),、協(xié)議標(biāo)識符(2 bit,取0),、長度(2 bit,,標(biāo)識之后的字節(jié)數(shù))和單元標(biāo)識符(1 bit,識別串行鏈路或其他總線上的遠(yuǎn)程從站),。MBAP報文頭之后是功能碼和數(shù)據(jù)段,,功能碼用于區(qū)別該指令要執(zhí)行的動作,數(shù)據(jù)段包括起始地址和輸入/輸出值,。TCP/IP協(xié)議可保證數(shù)據(jù)包正確傳遞,,因此Modbus/TCP協(xié)議幀沒有校驗(yàn)域。舉例說明,,需要讀取數(shù)據(jù)采集卡A/D通道1的數(shù)據(jù),,生產(chǎn)廠家定制該命令的功能碼為0x03,A/D通道1的寄存器地址為0x100,,則該動作的請求和應(yīng)答指令如圖3所示,。其中,0x8000為響應(yīng)后的A/D通道1數(shù)據(jù)值,。
3.2 LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)
利用LabVIEW平臺的TCP基礎(chǔ)函數(shù)庫,,如“TCP open connection.vi”、“TCP close connection.vi”,、“TCP write.vi”和“TCP read.vi”等子vi,,即可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的Modbus/TCP通信。設(shè)置命令端口為8000,,數(shù)據(jù)端口為8001,,數(shù)據(jù)采集卡的IP地址為192.168.1.26,計算機(jī)的IP設(shè)為192.168.1.*,,即除數(shù)據(jù)采集卡占用IP外的其他任意地址,。將數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)的網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼都設(shè)置為192.168.1.1和255.255.255.0。
該遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)軟件的主體結(jié)構(gòu)是采用3個并行的while循環(huán)作為框架,,結(jié)合多個事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的控制,,主要包括數(shù)據(jù)采集,、信號處理、數(shù)據(jù)存儲,、網(wǎng)絡(luò)通信,、參數(shù)設(shè)置及電機(jī)控制等6個主要模塊。
軟件的運(yùn)行流程是,,首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置并打開TCP連接,,設(shè)置數(shù)據(jù)采集的參數(shù)后即可開始采集數(shù)據(jù)。進(jìn)入電機(jī)控制界面,,啟動電機(jī)并以設(shè)定的轉(zhuǎn)速和方向動作,。數(shù)據(jù)采集開始后,可隨時保存數(shù)據(jù)至計算機(jī)內(nèi),,數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,,即可停止電機(jī)并關(guān)閉TCP連接。
4 結(jié)束語
本文以虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW為平臺,,應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù),、信號處理技術(shù)和Modbus/TCP通信技術(shù)搭建了一套無線遠(yuǎn)程測試系統(tǒng),。通過實(shí)際測試,,本系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)光合有效輻射等水下參數(shù)的實(shí)時采集、顯示和存儲,,能夠控制傳感器在水中的升降,。采用無線網(wǎng)橋的無線傳輸能力取代傳統(tǒng)的有線連接,降低了系統(tǒng)搭建成本,,同時使得水上測試不再受環(huán)境,、空間和距離的限制,進(jìn)一步提高了安全性,。
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