基于ARGOS通信技术的海冰浮标低功耗系统设计

沈 璐，谢 晖，陈相全，董永军

（1.吉林建筑大学 基础科学部，吉林 长春 130018；2.东北师范大学 吉林省先进能源开发与应用创新重点实验室，吉林 长春 130024）

0 引 言

北极地区作为全球气候变化响应和反馈最敏感的地区之一，已成为全球气候变化研究的关键区域。近年来，北极地区正发生着快速变化。海冰作为北极地区最重要的组成部分，是北极快速变化评测的关键要素[1]。海冰使地球表面获取的太阳辐射能显著减少，极大地影响了海洋与大气之间的热、能量以及动量的传递[2,3]。目前，北极海冰与气候变化研究中需要解决的关键科学问题是北极海冰消融及其对气候反馈的物理机制和未来海冰的演变趋势。北极海冰覆盖面积和海冰厚度从20世纪90年代开始减少[4-7]，直接导致海洋吸收太阳辐射能的大幅度增加。这对海冰融化产生了正反馈效应，从而严重影响气候系统的变化[8,9]。作为北半球国家，北极海冰快速变化对我国气候变化有着直接影响。

人们对北极海冰的研究缺乏有效的观测手段，通常采用遥感方式研究海冰的面积变化。这种现有的观测能力只能给出海冰变化的结果，不能给出海冰变化的具体动力学与热力学过程。采用海冰浮标监测海冰变化是研究北极快速变化原因的重要手段之一。海冰浮标早已被广泛用于跟踪海冰运动轨迹、运动速度、变形率以及海冰形态的时空变化等多方面的研究[10,11]。海冰浮标获取的海冰运动、表面温度以及风速等实测数据，对极地大气模式的分析和验证具有重要作用[12]。然而，由于多种原因，目前布放于北极的海冰浮标使用寿命普遍偏短。

本文以冰基浮标为观测平台，开发温湿度、气压以及GPS等多参数采集的远程监测与通信系统。系统基于ARGOS卫星通信技术，采用STC12增强型低功耗微处理器，采集、处理以及传输海冰表面温湿度、气压以及海冰位置等参数。在保证数据通信质量的前提下，充分考虑硬件低功耗设计和软件优化管理机制，多方位降低系统功耗。通过测试各个模块的功耗，评估系统总体功耗，合理配置供电电源。此外，分析布放于北极地区的该类浮标运行情况，为进一步开展优化设计提供参考。

1 总体结构

本文设计的浮标需要采集海冰表面的温湿度、气压以及海冰的实时位置信息，通过ARGOS卫星进行远程数据通信。考虑到海冰漂移速度相对缓慢，参数采集密度可调节，系统可借助实时时钟和可控电源进行低功耗管理。因此，浮标监测与通信系统主要包括STC12单片机、电源模块、实时时钟、ARGOS通信模块、温湿度传感器、气压传感器以及GPS等单元，总体结构如图1所示。

图1 海冰浮标监测与通信系统总体结构

2 硬件设计

2.1 主控制器与实时时钟

微处理器采用STC12系列增强型单片机，具有高速、低功耗、抗干扰性强以及输入输出接口丰富等优点。该系列单片机掉电模式下的电流功耗小于0.1 μA，正常工作电流低至2 mA，工作频率高达35 MHz，片上Flash和RAM的内存分别高达62 kB和1 280 bit，具有多路UART接口，工作温度低至-55 ℃。

系统的低功耗设计要求尽可能多的元器件在不工作的时候处于关机或者睡眠状态，通过外部控制实现开机或唤醒。其中，微处理器的唤醒通过外部定时器中断来实现。本系统的外部定时器选用凌特公司的低频时钟芯片LTC6991。该芯片外围电路简单且定时准确，能实现无干扰、首周期准确启动以及长持续时间定时，实测供电电流仅为60 μA，工作温度低至-55 ℃。主控制器与实时时钟芯片的电路原理如图2所示。

2.2 电源模块

考虑到极地低温环境，供电电源采用14.4 V锂亚硫酰氯功率型电池。卫星数据发射瞬间所需功耗较大，为弥补低温条件下锂电池放点能力受限的缺点，采用超级电容辅助放电。微处理器和外围器件所需电压为3.3 V，采用凌特公司的输出电压可调的降压型开关电源芯片LT8610，如图3所示。它的实测静态电流功耗约为80 μA，工作温度低至-55 ℃。

2.3 传感器单元

图2 主控制器与实时时钟电路原理图

图3 DC/DC变换电路

图4 传感器单元接口电路

传感器单元包括温湿度传感器、气压传感器以及GPS定位模块，接口电路如图4所示。其中，温湿度传感器选用挪威Vaisala公司的HMP155型，为温度和相对湿度一体型传感器，输出模拟电压信号。温湿度传感器外部加防辐射罩，能够有效反射来自各个方向的辐射，保护内部温湿度传感器免受风、雪、雨、沙以及尘等恶劣气候条件的影响。气压传感器采用挪威Vaisala公司的PB110型，输出模拟电压信号。GPS定位模块采用Globalsat公司的GPS模块。该模块基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高灵敏度以及高性能的特点，为主控制器提供准确的时间与位置信息。

2.4 卫星通信单元

ARGOS通信模块采用Kenwood公司的ARGOS-3 PMT-RFM模块，具有卫星过顶预测并自动唤醒功能，实现数据有效传输的同时降低数据卫星通信系统的功耗。它的休眠功耗低至90 μA，瞬时发射电流3 A左右。ARGOS卫星通信接口电路，如图5所示。

图5 ARGOS卫星通信接口电路

3 软件流程

系统启动后先进行自检，确保功能一切正常。自检无误后，传感器采集并处理数据。数据采集完毕即刻关闭传感器电源，以节省传感器功耗。主控器将采集处理后的传感器数据送入ARGOS模块缓存。ARGOS模块根据预测的卫星过顶时间自动唤醒并发送缓存的数据。主控制器传输数据完毕便进入休眠状态，等待定时器触发中断唤醒，进入下一周期的数据采集。具体流程如图6所示。

图6 软件设计流程

4 结 论

本文为解决海冰表面环境参数的长期连续观测问题，设计了一种基于ARGOS卫星通信技术的低功耗多参数冰基浮标监测与通信系统。实测系统整机待机功耗低于300 μA，低温测试环境为-50 ℃仍可正常工作。该系统搭载的冰基浮标已成功布放于北极浮冰上，连续采集了海冰表面的温湿度、气压以及海冰位置等信息，有效运行时间长达一年之久。该系统经过软硬件优化设计，可以推广应用于大面积的海冰环境监测。