基于Iridium9602的北极海冰综合监测系统的设计与应用

胡圣鹰 窦银科 马春燕 马瑞骏 窦若凡

摘 要： 为了探索北极海冰的冰物质平衡变化机理，设计并实现了基于Iridium 9602的北极海冰多参数综合监测系统。其主要由海冰各项物理参数的数据采集部分和数据传输部分组成，数据采集部分集成了对海冰上方风速风向、空气温湿度、太阳光辐射、冰面积雪厚度、海冰温度等参数的监测，海冰温度通过纵向等距定点的方式监测。数据传输部分依托铱星9602模块，通过向国内固定IP及指定邮箱传送所采集的数据，来实现实时远程监控。该监测系统解决了极地监测需要人工值守的问题，实现了自动监测和实时监控。

关键词： 北极海冰； 铱星9602； 综合监测； 远程通信； 物质平衡； 人工值守

中图分类号： TN931+.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）20?0127?05

Abstract： An arctic sea ice multi?parameter comprehensive monitoring system based on Iridium 9602 is designed and implemented to explore the balance change mechanism of arctic sea ice material. The monitoring system is mainly composed of the data acquisition part and data transmission part for various physical parameters of the sea ice. The data acquisition part integrates the monitoring of parameters such as wind velocity and direction above the sea ice， air temperature and humidity， solar radiation， snow thickness above the ice surface， sea ice temperature， and so on. The sea ice temperature is monitored by using the longitudinal equidistant fixed points. In the data transmission part， real?time remote monitoring can be achieved by relying on the Iridium 9602 module to send the collected data to a domestic fixed IP and designated mailbox. The monitoring system can resolve the manual duty problem of the polar area， and realize the automatic and real?time monitoring.

Keywords： arctic sea ice； Iridium 9602； comprehensive monitoring； remote communication； mass balance； manual duty

0 引 言

极区海冰在全球气候系统中扮演着重要角色，影响着大洋表面的物质、能量、辐射的平衡，进而通过在大洋温流、盐流的形成和循环过程中影响着全球的气候[1]。极地冰盖物质平衡的研究不仅对重建古气候历史有重大意义，而且对探究全球气候变暖与冰川消融之间的机理具有很大的意义，作为象征冰盖过去和现在状况的重要参考指标之一，极地冰盖物质平衡的研究在国内外已成为热点[2]。

目前国内外对于冰物质平衡的测量方法主要有实地测量雪面高度差获取积累的雪面数据的花杆法、利用超声波获得雪面高度数据的雪深仪器测距法，通过挖采雪坑或者钻取冰雪芯样品得到物质平衡信息的雪坑、冰雪芯法等[3]。以上技术手段受限于现场作业、测量参数单一、监测时间跨度较短等因素，得到的数据之间无法很好地進行整合，对于冰盖物质平衡的变化规律难以得出较为系统的结论。因此有必要对于影响到冰物质平衡的多项参数同时进行监测，通过铱星传输技术，将数据传回国内进行分析，克服人工值守、科考周期短、科研数据不充分的问题。

1 系统总体设计

监测系统主要由供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块和远程实时显示模块四部分组成。系统框图如图1所示，供电模块由两个子模块组成，阳光充足，风速足够时，太阳能充电板与小型风机产生的能量对蓄电池组进行充电同时完成对系统的供电工作，在遭遇极夜、风速较低的境况时，风光模块无法满足供电需求，就转由蓄电池组对系统供电。这样的设计因地制宜地利用了当地清洁能源丰富的优势，缓解了化学能源供给不便的问题[4]。数据采集模块分为冰上监测和冰下监测两个部分：冰上监测主要完成对空气温度、湿度，风速风向，光辐射的监测；冰下监测主要完成对积雪厚度、海冰温度的监测。每隔1 h系统都会对各项参数进行一次采集，将采集到的数据存储到SD卡中，以文本方式保存。数据远程传输系统，对数据进行采集后，主控芯片通过铱星终端将收到的数据发送给国内的监控中心，铱星对数据传输时，功耗比较大，为了尽量降低功耗，每采集3次数据，才会启动1次铱星模块。数据发送完成后，铱星模块关闭电源，进入休眠状态，等待下次数据的到来[5]。

2 系统硬件电路

2.1 主控板

主控芯片选用德州仪器公司生产的数字信号处理芯片DSP F28335，外接30 MHz晶振，芯片内部锁相环电路进行倍频。其主频可达150 MHz，6.67 ns的时钟周期，32位浮点处理单元，F28335具有强大的运算能力和数字处理能力。同时还具有丰富的I/O口和串口资源，3个串行通信接口，一个串行外设（SPI）接口，一个内部集成电路（I2C）总线，2个McBSP模块（可配置为SPI）和2个控制器局域网（CAN）模块。满足铱星通信终端的9线制串口接法，在主控板与铱星通信终端之间可以建立稳定的通信通道[6]。整个监测系统需在无人值守的条件下完成全自动监测，主控芯片采集发送数据需要以精准的时钟为参照。本设计选用时钟芯片SD2200，该款芯片为高精度实时时钟芯片，内置晶振和一次性纽扣电池，支持I2C总线接口，即使外部电源不足时也能保证时钟使用寿命达五年之久[7]。在设备投入使用时，对时钟模块进行校准，与国内时间进行同步，传回的数据带有时间信息，便不会因通信延时而对数据产生误判。

2.2 传感器选型

在对传感器进行选型时坚持低功耗，低温下性能良好的原则，具体选型见表1。其中风速、风向、光辐射、积雪厚度传感器类型支持RS 485电气传输协议，采用一主多从的方式与主控板进行连接。对于空气温湿度和海冰温度链传感器通过配置2个独立的I/O口即可进行电气连接[8]。海冰温度链传感器是实验室自主研发的传感器，以DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS28EA01为基础元件，采用菊链方式将多个传感器连接在一起。针对使用环境为1 m左右的海冰区，温度链长度设计为3 m，每3 cm为一个检测点，整条温度链有100个检测点。制作工艺为柔性PCB，用含胶热缩管进行防水封装，可以任意折叠，携带安装方便。

2.3 铱星通信终端

铱星星群是世界上最大的商用卫星星群，由66颗低地球轨道交叉互连组成，以全网状网络运行，并有多个卫星在轨备用。其最大的优势便是通信范围可以覆盖全球，铱星星群的结构确保了通信的高可靠性和低延迟性，不受天气、高度、电离层、距离等不稳定因素的制约，特别是常规通信手段无法使用的北极地区，铱星通信模块是一个能满足要求的择优选择。另外，铱星通信模块通信资费低、功耗小的特点也满足该监测系统的低功耗，节省应用成本的要求[9]。

本系统中的铱星终端使用铱星公司新一代的通信模块Iridium 9602，体积小，重量轻，功能上可替代Iridium 9601模块。它嵌入了铱星9602SBD和SBD协议，结合铱星通信公司提供的全球覆盖网络铱星数据业务（SBD），通过采用数据包的方式实现短消息双向传输。本系统中，主控板通过9线RS 232串口向铱星模块发送AT指令集，实现SBD业务。用户可以通过邮件协议方式或DirectIP链接方式获取数据，也可在终端之间进行数据收发[10]。Iridium 9602一次最大可发送340 B信息，最大可接收270 B信息。通信速率最高可达115 200 bit/s，默认波特率为19 200 bit/s，可通过AT+IPR命令设置。

3 软件实现

3.1 系统主程序设计

系统主程序是整个软件程序设计的中心部分，调用所有硬件资源完成对数据的采集、处理、发送等一系列工作。主要通过中断唤醒方式来控制各个模块实现其功能。主程序的设计分为如下三个步骤：

1） 硬件初始化，上电后，控制板处于复位状态，关闭看门狗，进行硬件初始化工作，完成对I/O口和串口的配置工作，然后进入低功耗休眠状态。

2） 配置中断函数。中断函数主要用来完成具体的数据采集、存储、显示的工作。当完成数据采集工作后，向控制板发起中断请求，控制板被唤醒，进入正常工作状态，检查数据完整与正确性，然后对其进行显示存储，根据条件启动铱星通信模块，向国内基站发送数据。

3） 再次进入休眠状态。中断程序依次执行完毕后，清除中断标志关闭中断，继续执行主程序剩下的程序，最后完成整个程序的运行后，单片机下电进入休眠状态等待下一次程序的重新开始。在执行这些中断程序时，严格地控制了每个电路模块的开断，尽可能减小系统的功率损耗，使其处于低功耗模式运行。系统主程序流程图如图2所示。

3.2 铱星远程通信终端程序设计

主板通过串口向铱星SBD数据透传模块发送AT指令来控制透传模块的数据传送工作。铱星发送数据时，其功耗最大。发送AT+CSQ命令可查询当前铱星模块与铱星卫星之间网路连接的信号强度，只有应答信号强度大于3，即强度为4或者5时，铱星SBD传输才会在很短的时间内完成；若是在铱星信号较弱的情况下，即使启动SBD传输，也需要等待较长时间直到信号较强时才能完成铱星远程传输[11]，具体的铱星传输数据控制流程如图3所示。

3.3 远程监控中心的设计

远程监控中心采用C#语言和SQL Server数据库以.NET Framework为平台设计开发的一个上位机实时显示系统，对于从极地通过铱星远程传输模块传回的数据进行简单的处理，可以实时清晰地显示监测系统所在的位置如图4所示。其中塔状图标即为浮标所在位置，对当前海冰的各项物理参数及系统的运行状态也可以实时显示，如图5所示。

4 系统调试及北极现场应用分析

监测浮标最终将安装于北极现场，北极气候特点是冬季寒冷漫长，夏季短暂凉爽，冬季大部分地区最低气温可低至-50 ℃。为了保证设备能在冬季正常工作，所购买设备的工作环境温度都满足-40 ℃。调试过程在最低温度可达-60 ℃的低温实验柜中进行。首先對每个传感器进行低温下性能检测，然后将整套一件系统搭建起来进行系统稳定性测试实验。为期近1个月的稳定性试验发现如下问题：铱星远程传输受周围环境影响较大，如天气或者遮挡物影响，数据没有按时传到指定邮箱；海冰温度链因为制作工艺问题，防水性能欠佳，漏水导致器件损坏；软件程序设计存在瑕疵，对于采集的数据，没有进行发送前二次检查机制，比如漏水导致海冰温度链采集的错误数据，未进行常识性预判，就通过铱星发送。

在针对性地解决如上问题后，实验数据良好，图6为择选地同一天检测系统的稳定性试验数据。由图可知：空气温湿度传感器采集的温度符合一天中气温的升降规律；光辐射传感器也只有在白天太阳照射时才有数据，而且中午时光照最强；风速、风向传感器也能正常运转；超声波测得的距离与实际所测的距离基本相符；整个系统能正常运行。

5 结 语

本文基于铱星通信技术设计和实现一种远程监测和数据传输的海冰多参数综合监测浮标。该设备经过充分的稳定性监测和系统程序优化，于2016年7月11日由实验室左广宇博士携带，跟随中国第七次北极考察队前往北极，执行科考工作。其中5套布放于加拿大海盆的冰站附近，与7套海冰温度剖面和位移浮标，以及考察队投放的国外浮标一起，构成北极海冰监测浮标阵列。12套浮标数据通过铱星系统实时传回设在实验室的监测中心[12]。目前已传回上百条完整的监测信息。该监测系统很好地满足了海冰定点多参数综合检测的需求，达到了设计目标。

参考文献

[1] 唐述林，秦大河，任贾文，等.极地海冰的研究及其在气候变化中的作用[J].冰川冻土，2006，28（1）：91?100.

TANG Shulin， QIN Dahe， REN Jiawen， et al. The studies of polar sea ice and their contribution to climate change researches [J]. Journal of glaciology and geocryology， 2006， 28（1）： 91?100.

[2] 袁凯琪，窦银科，薛盈，等.基于IMB的南极近岸海冰物质平衡过程研究[J].数学的实践与认识，2015，45（8）：167?171.

YUAN Kaiqi， DOU Yinke， XUE Ying， et al. Investigation of the sea ice material balance process in the along shore of south pole [J]. Mathematics in practice and theory， 2015， 45（8）： 167?171.

[3] 雷瑞波，李志军，秦建敏，等.定点冰厚观测新技术研究[J].水科学进展，2009，20（2）：287?292.

LEI Ruibo， LI Zhijun， QIN Jianmin， et al. Investigation of new technologies for in?situ ice thickness observation [J]. Advances in water science， 2009， 20（2）： 287?292.

[4] 刘磊，窦银科，裴玉晶，等.极地环境下小型风光互补供电系统的研究[J].电源技术，2017，41（5）：783?785.

LIU Lei， DOU Yinke， PEI Yujing， et al. Research on small wind?solar hybrid power supply system under polar environment [J]. Chinese journal of power sources， 2017， 41（5）： 783?785.

[5] 晁强，窦银科，孙波，等.南极内陆冰盖表面地貌特征监测系统设计及应用分析[J].极地研究，2016，28（4）：548?554.

CHAO Qiang， DOU Yinke， SUN Bo， et al. Design and application analysis of geomorphic feature monitoring system for Antarctic inland ice sheet [J]. Chinese journal of polar research， 2016， 28（4）： 548?554.

[6] 符晓，朱洪顺.TMS320F2833xDSP应用开发与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

FU Xiao， ZHU Hongshun. Application development and practice of TMS320F2833xDSP [M]. Beijing： Beihang University Press， 2013.

[7] 李浩，谭超，卢舟燕.时钟芯片SD2200ELP与AVR单片机的接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（10）：44?46.

LI Hao， TAN Chao， LU Zhouyan. Interface design of clock chip SD2200ELP and AVR microcontroller [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2006（10）： 44?46.

[8] 冯子陵，俞建新.RS 485总线通信协议的设计与实现[J].计算机工程，2012，38（20）：215?218.

FENG Ziling， YU Jianxin. Design and implementation of RS 485 bus communication protocol [J]. Computer engineering， 2012， 38（20）： 215?218.

[9] 张曙伟，王秀芬，齐勇.铱星数据通信在海洋资料浮标上的应用[J].山东科学，2006，19（5）：16?19.

ZHANG Shuwei， WANG Xiufen， QI Yong. Application on ocean data buoy of Iridium data communication [J]. Shandong science， 2006， 19（5）： 16?19.

[10] 琚汝强，刘敬彪，于海滨.基于铱星的浮标远程监测与数据传输系统[J].电子技术应用，2010，36（12）：36?38.

JU Ruqiang， LIU Jingbiao， YU Haibin. A remote monitoring and data transmission system of buoy based on Iridium satellite [J]. Application of electronic technique， 2010， 36（12）： 36?38.

[11] Iridium Communications Inc. 9602 SBD transceiver product developers guide （Revision 6.0） [EB/OL].[2010?12?17]. http：//www.docin.com/p?108057070.html.

[12] 赵宁，高悦，吕宁.中国第七次北极科考队凯旋[N].中国海洋报，2016?09?27（A1）.

ZHAO Ning， GAO Yue， L? Ning. Triumph of China′s seventh Arctic expedition team [N]. China ocean news， 2016?09?27（A1）.