海底观测网络次接驳盒硬件设计与实现

刘 超，王红霞，苏彬彬

(海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033)



海底观测网络次接驳盒硬件设计与实现

刘 超，王红霞，苏彬彬

(海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033)

深海海底观测网络是针对深海海底探测与研究而提出的课题。在海底观测网中,为了实现对水下各种观测信息的实时采集和水下各种传感设备的控制，设计了一种基于SOC片上系统的海底观测网络次级接驳盒电路控制系统。采用模块化设计思想，构建了包括主控芯片模块、数据采集模块、电能控制模块、视频监控模块的次级接驳盒电路控制系统。试验测试结果表明，该系统能够可靠稳定地运行，为海底观测网络的长期运行提供了保证。

海底观测网络；次级接驳盒；SOC片上系统

0 引言

海底观测网络是指把各种观测设备放在海底，通过各种水下传感节点(可以是固定的，如水下锚定的浮标，水下接驳盒;也可以是移动的，如水下机器人来实现对水下各种信息的实时采集监测)，最终通过有线或无线的方式将信息传递给基站，实现对海底地震、地壳内流体和生物等活动的长期连续实时地观测[1-2]。目前国外建立了相对成熟的海底观测网络，有美国和加拿大的海王星海底观测网络、欧洲的ESONET海底观测网络、日本的ARENA、DONET海底观测网络[3-4]。国内也建成了一些海底观测网络试验系统，一般由控制和传输模块、海底光电复合缆、水下接驳盒、各种外接科学仪器组成。而水下接驳盒作为海底观测网络的核心组成部分，是一种基于电能供应和信息采集、转换和处理的自动控制装置，是进行海底观测传感器和主干传输网进行电气和数据连接的设备[5]。主要包括主控模块、信息采集模块、传输模块和供电模块，能够实现科学仪器的有效控制和各种观测数据的有效传输和管理。本课题设计了次级接驳盒的硬件结构，通过搭载各种传感器实时采集各种信息，最终通过主干网将数据传送到岸基监控中心。

1 系统总体设计

海底观测网络把岸基和岸基，岸基和水下主接驳盒之间的连接称为主干传输网，接驳盒和观测传感设备之间的连接称为传输子网，形成了监控中心层、水下接驳层、观测传感网络层3层设备和主干传输网和传输子网的两层网络结构的海底观测网络[6-7]。监控中心层主要由监控中心、供电模块、传输模块3部分组成，主要硬件设备包括监控工作站、数据库服务器、岸基供电设备、155 M光端机等。观测传感网络层由各种水下传感器组成，主要实现对海底各种信息的实时采集。水下接驳层作为海底观测网络的核心部分，由主接驳盒和次接驳盒组成，主要实现对水下各种传感设备的供电和信息的采集与控制[8]。

2 接驳盒电路硬件设计

海底观测网络水下次级接驳盒里面布放了155 M光端机、FE光猫、2 M光猫等传输设备、恒流转恒压、恒压转恒压等电能转换设备和传感器、C8051F020单片机控制模块和控制继电器等控制设备。海底观测网路通过岸基监控中心层对次级接驳盒的下位机软件进行控制来实现各种海底观测传感器的数据采集和电能控制等功能。图1是海底观测网络接驳盒节点硬件结构图。

图1 水下接驳盒节点硬件结构

其中次级接驳盒中的DS-6100视频服务器实现了对海底摄像机图像信息的采集和传输。电压转换模块实现了对基站传输来的恒流电能的转换，得到适合各种海底观测传感器使用的恒压电能。C8051F020采集控制卡实现了海底观测传感器工作电压和温湿度等信号的采集和监测，并且出现异常情况时，通过继电器实现对工作电压的切断。同时ADAM4060能够接收基站监控中心的控制指令，通过控制的开关触点，实现对照明灯、摄像机、视频服务器的供电控制。

3 海底观测网络硬件模块化设计

3.1 主控芯片电路设计

次级接驳盒的主控芯片模块主要由C8051F020 SOC单片机实现，该单片机是采用CIP-51内核的片上系统，具有系统资源丰富、稳定性高等特点，主要实现对水下各种环境参数的实时采集、对科学仪器各种供电、运行参数的实时监测控制和科学仪器的电能分配，是次级接驳盒的核心模块[9-10]。其硬件结构框图如图2所示。

图2 接驳盒主控节点硬件结构框图

根据主控芯片的硬件结构框图可以进行主控模块外围电路的设计，其电压转换电路如图3所示，利用AS1117将供电模块提供的5 V电压到转换为可供主控芯片使用的3.3 V电压，采用DC-DC模块S05A05L将5 V供电电源输出为±5 V电源为LM258芯片供电。

图3 主控模块电压转换电路

图4为C8051F020单片机和MAX3485的通信接口电路。由于RS485为半通信方式，所以在利用RS485总线进行通信时应通过控制MAX3485的RE和DE两个引脚的高低电平来实现接收状态和发送状态之间的转换。在本电路设计中，将RE和DE引脚接在一起，通过单片来控制收发。

图4 RS485串行通信电路

3.2 传感器数据采集模块设计

传感器数据采集模块主要实现对温度、湿度、深度、电压等参数的检测，通过特定传感器利用各种物理效应、化学效应以及生物效应把被测的非电量转换成相应的电量，通过主控模块进行采集。

3.2.1 温湿度采集模块

温度采集模块主要确保温度稳定在一定范围内，当温度超过预定值时，通过上位机软件进行人为的控制，关闭相应的供电模块，确保整个系统的稳定。AM2301集成数字式温湿度传感器具有体积小、稳定性好、抗干扰能力强等特点，能够进行接驳盒内部温度和湿度的检测。其测温电路如图5所示。

图5 AM2301应用电路

3.2.2 电压采集模块

海底观测网络电源模块提供的电压是标准的5 V、12 V、24 V，即整个海底观测网络输出电压范围为5～24 V，可以利用电量隔离传感器进行电压的隔离和变换，取得与被测电压成正比的0～5 V信号电压，经过A/D转换由采集模块接收，然后通过传输模块传送给监控中心。本课题采用WBV121G07电压隔离传感器进行系统供电设备直流电压的检测，该电压隔离传感器采用线性光电隔离原理，对电压信号进行实时测量，经隔离转换成跟踪输入信号的、有一定隔离能力的标准跟踪电压(VG)输出，能直接和计算机、数据采集设备直接连接。

3.2.3 深度采集模块

采用HSTL系列投入式液位变送器来实现对接驳盒深度的测量，该投入式液位传感器有2种输出信号方式，不同输出方式采用不同的接线方式，本课题采用三线制输出电压方式,其电压输出连接如图6所示。投入式液位传感器分别引出3根线，供电线分别和供电模块的正极、负极连接，信号线和主控模块的电压模拟信号AIN采集口连接。

图6 投入式液位传感器电压输出接线图

3.3 电能控制模块

海底观测网络次级接驳盒的电能控制模块主要实现电能的保护、分配和调度。当海底观测网络布放完成后，其对应的线路或者端口已经完全确定，可以通过远程监控系统将电能分配到既定的端口，也可以对发生故障的端口进行电能的强制断开，达到故障隔离的目的。电能控制模块采用硬件控制、软件处理、人为干预相结合的控制方式，通过分级控制策略，可以有效提高系统的安全性和可靠性[11]。

本课题将电能控制等级划分为3个级别：第一级别主要实现系统各种传感设备的开启和关闭，传感设备功能异常的处理，该级别危险性是最低的，采用人工干预方式，通过上位机软件进行相应的控制，干预时间一般为min级别。第二级主要是接驳盒内部各设备供电发生异常，当监测到的电流、电压超过额定值时，即判断设备供电发生异常，一般采用下位机主控软件采集供电电压并进行相应判断来实现，处理时间一般为s级别。第三级主要是供电模块的过压和短路，供电模块肩负着整个水下信息网络供电，对系统影响最大，故障处理时间应该最短，这一级别操作直接由供电模块硬件电路完成，软件不参与，处理时间一般为ms级别。

海底观测网络监控系统电能分配模块结构如图7所示。在图中，可以看到主要采用两个控制模块进行电能的控制，根据前面提到的分级控制策略分为3个层次。第一级别是岸基工作人员通过基站监控中心向水下ADAM4060进行控制命令的下达，ADAM4060控制模块实现相应的操作，完成对传感设备和供电模块的控制。第二级别是C8051F020主控模块自主完成对传感设备的控制，没有人工的参与，首先在前期的C8051F020软件设计中，设定相应采集电压的阈值，在主控模块工作中通过模拟外设ADC0进行各种传感模块电压的采集，如果采集到的电压不在阈值范围之内则触发P1口控制继电器工作，进行断开命令，防止电压过大使设备损坏，同时向岸基发送相应的控制信息。第三级别主要由供电模块自身硬件电路完成，这里不在赘述。

图7 水下信息网络监控系统电能分配结构

3.4 视频监控模块设计

水下视频采集模块是水下信息网络监控系统的重要组成部分，能够实现对水下视频信息长期、连续、实时的观测[12]。本课题水下视频监控模块硬件结构如图8所示，从图8可以看到整个视频采集模块硬件部分分为接驳盒内部和接驳盒外部2部分，接驳盒外部的摄像机通过6芯电干插拔接口和接驳盒内部的视频服务器和水下摄像机供电接口连接，其中2根信号线通过BNC接口将视频信号接入到视频服务器最终通过传输模块上传到岸基监控中心。其中4根信号线分别进行水下摄像机和水下摄像机照明系统的供电，并通过ADAM4060进行电能的通断控制，实现摄像机和摄像机照明灯的远程控制。

图8 视频采集模块硬件结构图

4 次级接驳盒电路测试与试验

完成次级接驳盒硬件的结构设计后，对整个次级接驳盒系统进行现场调试，再接上温湿度传感器、WBV121电压测量传感器、深度计、程控灯、水下摄像机等传感设备，并通过主接驳盒传输模块将次级接驳盒系统和岸基监控中心相连。次级接驳盒将水下各种信息实时的上传给岸基，并且可以通过岸基控制指令实现对水下用电设备的管理。采集到的水下信息如图9所示。

图9 试验数据截图

5 结束语

采用模块化设计思想，对海底观测网络次级接驳盒硬件进行了设计，以C8051F020 单片机为核心进行了主控制模块电路、传感器数据采集模块电路设计，同时提出了次级接驳盒电能分级控制策略，并利用C8051F020单片机和ADAM4060继电器进行了电能分配硬件结构的设计和实现，最后设计并实现了次级接驳盒的视频采集模块。现场试验表明，该次级接驳盒硬件系统功能强大，电路硬件运行稳定可靠，为海底观测网络的长期运行提供了重要保障。

[1] PERSON R,AOUSTIN Y,BLANDIN J,et al.From bottom landers to observatory networks .Annals of Geophysics,2006,49(2)：581-593.

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[3] DELANEY J,HEATH G R,CHAVE A，et al .NEPTUNE:real-time，long-term ocean and earth science at the scale of a tectonic plate，long-tgerm.Oceans 2001MTS/IEEE-An Ocean Odyssey.Honolulu,2001.

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[5] 张平官，李小敏，凌岚．海底观测—科学与技术的结合．上海：同济大学出版社，2011.

[6] 刘超，王红霞，魏巍，等.海底观测网监控系统的设计实现.光通信技术，2014，(1)：14-17.

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[11] 薛志刚.深海海底观测网络电能管理系统研究：[学位论文].杭州：浙江大学，2010.

[12] 李小三，杨灿军，陈燕虎，等.海底观测网络摄像系统设计与实现.船舶工程，2011，33(1)：65-69.

Hardware Design and Implementation of Seafloor Observatory Network Secondary Junction Box

LIU Chao,WANG Hong-xia，SU Bin-bin

(College of Electric Engineering,Navy University of Engineering,Wuhan 430033,China)

The seafloor observatory network was put forward aiming at the probe and research on the ocean bed.In the seafloor observatory network,in order to realize the underwater real-time collection of various observed information and underwater real-time control of various sensors,a seafloor observatory network secondary junction box circuit control system was designed based on the SOC chip system.The test result of experiments shows that the system can operate reliably and stably,and it provides the guarantee for long-term operation of seafloor observatory network.

Seafloor observatory network;secondary junction box;SOC chip system

2014-05-22 收修改稿日期：2014-11-05

TN202

A

1002-1841(2015)04-0038-04

刘超(1989—)，研究生，主要研究方向为海光缆通信技术。 王红霞(1970—)，副教授，主要研究方向为海光缆通信技术。E-mail:generaladolph@163.com