天然气水合物海底环境效应长期监测低功耗控制系统嵌入式设计

盛 堰 ，王兆山 ，冯久超 ，吕善翔，伍忠良

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510075；2.华南理工大学电子与信息学院，广东 广州 510641)

天然气水合物被普遍认为将是21世纪最具潜力的接替煤炭、石油和天然气的新型洁净能源之一，同时也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源。2007年我国在南海成功钻获天然气水合物实物样品，标志着我国开始进入了天然气水合物大规模勘探和开采阶段，天然气水合物环境效应研究是目前世界各国在钻探开采前必须根据其分布区域和成藏特点开展的重要研究内容。海底天然气水合物分布区的海水水体、气体信息中蕴含了水合物要素信息，其数据变化反映了水合物形成环境变化要素。对水合物海底环境要素不同时空尺度的状况及其变化趋势进行长期监测，并采集、传输、处理、分析海底天然气水合物环境要素的信息数据,开展海底天然气水合物环境效应研究，对勘探和开采服务具有重要意义[1]。

传统的研究方法有直接观测和取样分析两种。直接观测就是通过载人潜水器或水下机器人对水合物成藏区的海底沉积物、生物等进行现场观测，这种方法的成本和危险性都比较高，而且只能进行短时间的探测。取样分析法中，是对海底沉积物和生物进行取样，然后对样品进行分析和测试，由于从取样到进入仪器进行实验分析需要比较长的周期，分析的出数据不再具有实时性，而且在取样后很难保证样品原有的压力、温度等条件，分析结果会有一定的失真，部分成分脱离了深海环境，其测量甚至失去了原有的意义[2-4]。水合物海底环境长期监测技术可以很好地解决这些难题，它通过水下控制系统将多个水合物参量的物理和化学传感器集成在一起，对海底水合物成藏区海底边界的参数进行周期性采样和存储，可通过水声通信技术传输和系统回收后下载原位数据的方式对水合物环境数据进行提取，为水合物环境效应提供海底原位数据，是一种很好的研究方法。

天然气水合物海底环境效应长期监测系统涉及多层面的关键技术，水下控制系统的设计和多传感器集成是其中之一。本文从实用角度出发，设计了一种应用于水合物海底环境效应长期监测装置的嵌入式控制系统，它能够将多个水合物环境参量传感器进行集成，并根据监测频率进行周期性供电，具有良好的可扩展性和低功耗性能。

1 天然气水合物海底环境效应长期监测系统概述

天然气水合物海底环境长期监测系统主要包括：甲板测控单元，通信单元，海底长期采集锚泊单元等3部分[1]。海底长期采集锚泊单元的投放与回收使用声学释放器进行，装置与甲板系统之间的通信通过水声通讯Modem进行。海底长期采集锚泊单元通过中央控制系统将多个水合物环境参量物理和化学传感器、监测仪器、水声通讯Modem、声学释放器等集成在一起，经过专用支架安装后投入海底，形成对海底多个水合物环境要素不同时空尺度的状况及其变化趋势进行全方位的立体探测的能力，并采集、传输、处理、分析这些环境要素的信息数据，揭示海底水合物相关环境的变化规律，为海底水合物的环境效应研究和试采提供原位资料[1,3]。整体结构如图1所示。

图1 天然气水合物海底环境效应长期监测装置整体框图

天然气水合物海底环境效应长期监测系统固定安装的多参量传感器包括：甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、温盐深（CTD）、溶解氧（DO）、海流等，并提供扩展接口，可选择性安其他参量传感器。

为了方便系统集成、降低电路复杂度、提高测量精度，选择具有数字化输出的智能传感器和监测仪器，它们往往是高精度探头和微处理器的结合体，具有RS-232/485等标准接口，通过接口转换单元实现与控制系统的连接。传感器和监测仪器可根据具体测量参量进行选择和扩展。

2 天然气水合物海底环境效应长期监测水下低功耗控制系统嵌入式设计

水下控制系统是天然气水合物海底环境效应长期监测装置中水下部分的主控单元，它负责对各传感器和监测仪器的驱动、控制，对监测数据的接收、封装、格式化存储以及与甲板系统的通讯等。下面将从硬件、软件、低功耗处理三个方面详细阐述控制系统的设计过程。

2.1 水下低功耗控制系统的硬件设计

水下控制系统需要完成复杂的数据处理和控制任务，包括：低功耗处理、接口转换、环境监测仪器和传感器数据采集、电源及声学释放器等部分组成。系统使用耐高压、耐腐蚀的壳体封装，驻留海底长期工作，受壳体容积和电源电量的限制，因此控制系统的硬件设计需要遵循小体积、低功耗的原则。本设计中，以S3C6410A为主处理器，在其核心板的基础上增加适当的外围电路和接口电路构成系统底板。

S3C6410A是三星公司的一款嵌入式微处理器，该处理器基于ARM1176JZF-S内核，主频达553 MHz，内置丰富的硬件外设，包括4个UART异步串行口、2个SPI同步串行口、USB接口、4通道定时器、一个8位ITU 601/656相机接口，多标准视频编码解码器、32 GB高速SD卡支持等。在核心板上集成256 MBDDR内存和2 GBNand Flash存储器，并通过排针将上述接口引出，方便后续开发。核心板和底板的硬件结构图如图2所示。

图2 控制系统硬件结构图

具体设计如下：

将4路TTL电平串口通过SP3232芯片转换为RS-232串口，用于水声通讯Modem、甲烷、二氧化碳、硫化氢传感器的连接；将1路USB主设备接口(USB Host)通过AU9254芯片扩展为4个，用于温盐深、海流、溶解氧等的连接；通过USB转RS-232/422/485芯片继续扩展串口[7]，从而支持更多的传感器和监测仪器；

将1路USB从设备接口(USB Slave)引出为mini USB接口，供与电脑主机连接，用于程序下载和设备上岸后读取数据；

将处理器的一些通用IO口(GPIO)引出，用于对模数转换等芯片的支持；

给SDIO接口安装插槽，支持读写大容量SD卡，存储海底长期监测数据。

由于USB接口是可以通过集线器继续扩展的，而所采用的S3C6410A处理器还具有相机接口和多标准视频编解码器，因此该系统具有良好的扩散性，可以不断增加新的传感器甚至红外海底摄像头。

2.2 水下低功耗控制系统的软件设计

水下控制系统的控制软件需要实现多个水合物海底环境监测传感器数据采集，甲板监控数据包，验证数据包格式,数据存储，电源检测、工作模式控制和数据传送等功能。

水下控制软件设计的操作系统采用微软公司winCE6.0嵌入式操作系统，开发平台为Visual Studio 2005和Platform Builder for Windows Embedded CE6.0，在该平台上，首先进行系统定制、底层驱动开发等工作，精简操作系统，保留必需的基本功能；然后开发基于winCE6.0环境的应用程序，作为控制系统的主程序，负责控制整个水下部分的运行和与甲板的通讯。

控制应用程序的开发使用面向对象的C++语言。对串口的操作比较多，因此将其单独封装为一个类，包括打开串口、发送数据、创建接收线程、关闭串口等方法和事件。串口1连接水声通讯Modem，用于和甲板系统的通讯，其余串口连接各监测传感器模块及应用扩展。

系统上电时，应用程序自动启动。程序首先判断是否有甲板系统的命令到来，如果有，就进入通讯模式，接收并解析、执行甲板系统的命令；如果没有，就进入环境监测模式，依次打开各传感器、监测仪器并初始化，发送测量命令，接收、处理测量结果，然后获取系统日期和时间数据，将各项数据按特定格式封装，在SD中进行格式化存储。控制系统程序流程图如图3所示。

图3 控制系统程序流程图

2.3 低功耗处理技术

水下控制系统和它所连接的传感器、监测仪器在海底运行，使用电池供电，能量是有限的，当电池电量低于设定值时，就需要使用声学释放器将设备回收。为确保长时间可靠监测、降低监测成本，一方面，使用能量比较高、可重复充放电的锂电池[8]，系统搭载多个电池包，系统实现中自动电池包更换，另一方面，在系统设计时进行必要的节能和低功耗处理，包括使用功耗较低的芯片、根据系统工作特征进行间歇性供电等。

常见的一种低功耗处理方法是在不需要监测的时段，使系统自动进入休眠状态，当定时时间到，再将系统唤醒[9]。但对于运行有操作系统的设备来说，待机时的功耗也不低。因此本设计中使用了另外一种低功耗方案，即在控制系统中，设计单独的供电模块，负责水下部分的能量供应。

使用大功率锂电池组、单片机、继电器等开发了供电模块，图4给出了供电模块原理图。电源线经过继电器再到达控制系统的底板和各传感器模块、监测仪器。单片机程序通过定时器控制继电器的开闭情况，从而控制电源的通断。监测时的通电时间根据数据采集所需时间而定，其余时间内，控制系统和各传感器模块、监测仪器都处于断电状态。

图4 供电模块的电路原理图

3 功耗分析与测试

设水合物海底环境效应长期监测周期为T，休眠状态下唤醒系统并完成一次监测所需时间为ta，断电状态下启动系统并完成一次监测所需时间为tb，控制系统和传感器、监测仪器工作时电流为I1,休眠时电流为I2,供电模块导通时工作电流为I3，断开时电流为I4，电池供电电压为U，则两种低功耗方案平均功率分别为：

式中：Pa为采用休眠方案的平均功率；Pb为采用独立供电模块的平均功率；η 为二者的比值。供电模块断开时的工作电流比系统休眠时的电流小很多，因此第二种方案在降低功耗方面的作用将更为明显。

水下低功耗嵌入式设计在实验室环境下进行了系统运行实验和功耗性能对比测试。具体测试方案如下：

使用不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器和STC89C52单片机最小系统板制作一款液体温度测量模块[10]，相当于一个测温仪，当串口有测量命令到达时，即启动一次测量，并返回数字化的测量结果。通过RS-232串口线将温度测量模块与控制系统连接，在程序中增加对该温度测量模块的支持。使用数控直流电源直接给控制系统和温度测量模块供电，电压U 调为5.00 V，测量工作和休眠时的电流I1，I2以及两种低功耗方案完成温度测量所需时间为ta，tb；使用数控直流电源直接给供电模块的电路供电，电压U 为5.00 V，测量供电模块导通和断开时的工作电流I3，I4；设监测周期T为1 h，根据式(1)～式(3)分别计算两种方案的平均功率和比值。为供电模块配备5 V电池，给控制系统和温度测量模块供电，监测周期T 设置为1 h，每次监测供电时间设置为60 s，进行长时间温度测量，观察控制系统运行情况。功耗测试结果见表1。

表1 测试结果

由表1中的结果可见，使用独立的供电模块时，平均功耗为78.2 mW,是使用工作-休眠模式的37.4%，反映出这种低功耗方案的相对优越性。预计在增加数个传感器和监测仪器以后，系统平均功耗将增加至100 mW 左右，则持续运行90 d所需要的电量约为43.2 Ah，当前技术条件下足以制作该容量锂电池组。

另一方面，在使用供电模块给控制系统和温度测量模块供电时，系统按照“启动-测量-保存-关机”的顺序周期性工作，SD卡中得到了一系列准确的温度数据，表现出良好的稳定性。

4 结论

天然气水合物大规模勘探和开采必须首先对水合物的环境效应及环境灾害进行研究和评估，研制天然气水合物海底环境效应长期监测系统，实现海底天然气水合物多参量的环境要素不同时空尺度的状况及其变化趋势进行长期监测，其核心技术在于水下低功耗控制系统的设计，它负责对各传感器和监测仪器的驱动、控制，对监测数据的接收、封装、格式化存储以及与甲板系统的通讯。本文首先对天然气水合物海底环境效应长期监测系统进行了整体介绍，然后为之设计了以S3C6410A为核心的水下低功耗嵌入式控制系统，在winCE 6.0嵌入式操作系统环境下开发了控制系统的主程序。然后，设计了控制系统的供电模块，根据监测周期为控制系统和多参量传感器及声学Modem进行周期性供电。在实验室环境下经过分析和测试表明，所设计的控制系统运行平稳，在降低功耗、节约能源等方面具有较好的性能。在后续工作中，将搭载海洋科考船进行海试实验，以进一步验证低功耗性能和系统稳定性。

[1]盛堰，肖波，陈宗恒.天然气水合物海底环境长期监测系统设计[J].海洋地质前沿，2012,28(4):67-70.

[2]朱光文.我国海洋探测技术五十年发展的回顾与展望（一）[J].海洋技术,1999,18(2):1-16.

[3]盛堰.水深通信技术在海底天然气水合物成藏环境监测中的应用[D].广州：华南理工大学，2010.

[4]刘军,周东辉,周亚楠.一种深海长期观测低功耗数据采集装置[J].微计算机信息,2009,25(4):81-83.

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[7]Chaffey M,Mellinger E,Paul W,et al.Communication and power to the sea floor:MBARI’socean observing syste mmooring concept[C]//MTS/IEEE Oceans2001 Conference Proceedings,2001.