智能型通用水下自救釋放系統(tǒng)

摘要：為了保障海洋探測(cè)設(shè)備的順利回收，盡可能減少人員或財(cái)產(chǎn)的損失，利用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)模塊以及防水電磁鐵等相關(guān)器件，設(shè)計(jì)了一種智能且通用的水下自救釋放系統(tǒng)。旨在水下設(shè)備遇到危險(xiǎn)時(shí)，自救釋放器釋放自救浮標(biāo)，用于告警和定位水下設(shè)備，使其安全回收，也可用于水下工作人員或其他水下目標(biāo)的水面定位。
關(guān)鍵詞：自救釋放器；自救浮標(biāo)；GPS；GSM／GPRS；AUV

0 引言
    用于水下探測(cè)的設(shè)備品種繁多且價(jià)格昂貴，在海上實(shí)驗(yàn)時(shí)如何保障這些設(shè)備的順利回收，盡可能減少損失，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前的常用方法是為水下設(shè)備定制一套自救系統(tǒng)以保證其安全，但是這種方法一方面增加了設(shè)備的成本和研發(fā)周期，另一方面是其自救部分不具有通用性，應(yīng)用范圍受到很大限制。甚至許多水下探測(cè)設(shè)備沒(méi)有自救裝置，主要是依靠工作人員的保障措施，如固定設(shè)備或加系纜繩等。
    本文旨在設(shè)計(jì)一種高可靠性，低成本且通用的水下自救釋放器及與其配套的自救浮標(biāo)，可以用于定位水下設(shè)備，保障其安全回收。

1 系統(tǒng)總體方案
    該系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)主要包括自救浮標(biāo)、釋放機(jī)構(gòu)和控制艙3部分。自救浮標(biāo)在備出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)被釋放以通知岸上人員回收設(shè)備，釋放機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)自救浮標(biāo)的釋放，而控制艙則是采集設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行決策控制的核心。

    自救浮標(biāo)中裝有GPS模塊、GSM／GPRS模塊；釋放機(jī)構(gòu)主要部件是防水電磁鐵，并以機(jī)械儲(chǔ)能的方式釋放浮標(biāo)；控制艙內(nèi)主要是以sPIC30F 4011單片機(jī)為處理核心的控制板，完成浮標(biāo)釋放命令的執(zhí)行、參數(shù)配置命令的處理以及外部設(shè)備電源電壓、工作溫度、深度的采集等任務(wù)。艙內(nèi)還有電源管理模塊以實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和蓄電池的充放電管理等。
    該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    命令接收及數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)接收外部命令和采集外部設(shè)備的工作參數(shù)。數(shù)據(jù)處理及判斷模塊是數(shù)據(jù)處理的核心，它根據(jù)命令接收及數(shù)據(jù)采集模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，如通過(guò)顯示屏顯示數(shù)據(jù)，用LED顯示外部設(shè)備的工作狀態(tài)和釋放自救浮標(biāo)等。電源管理模塊為控制艙電路板提供穩(wěn)定的電源、管理蓄電池的充放電。

2 控制艙設(shè)計(jì)
    控制艙核心處理器采用dsPIC30F4011單片機(jī)并嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，用來(lái)完成參數(shù)采集、通信、數(shù)據(jù)判斷以及釋放浮標(biāo)等任務(wù)的執(zhí)行與調(diào)度?？刂婆撏獠坑?種接口：串口接口、A／D輸入接口、充電接口、聲學(xué)釋放命令擴(kuò)展接口以及應(yīng)急釋放按鈕(見(jiàn)圖1)。在使用時(shí)，需先通過(guò)串口以一定協(xié)議格式對(duì)釋放器監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行配置(如設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)危險(xiǎn)上限值等)，此時(shí)需要上位機(jī)軟件，其中上位機(jī)與單片機(jī)以串口的形式進(jìn)行通信。出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)可通過(guò)串口向釋放器發(fā)送釋放浮標(biāo)指令或釋放器自身通過(guò)A／D輸入接口監(jiān)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)而判斷釋放浮標(biāo)。聲學(xué)釋放命令擴(kuò)展接口用于接收岸上人員發(fā)送的聲學(xué)釋放浮標(biāo)命令，該接口為擴(kuò)展接口。應(yīng)急釋放按鈕用于水下作業(yè)人員通過(guò)按鈕釋放浮標(biāo)。此外艙外還有LED燈，用于顯示數(shù)據(jù)和外部設(shè)備的工作狀態(tài)。艙內(nèi)配有LCD顯示屏，供開(kāi)發(fā)調(diào)試使用。
    在數(shù)據(jù)參數(shù)閾值判斷方面，由于水下探測(cè)設(shè)備一般都會(huì)自帶有溫濕度傳感器等裝置，水下探測(cè)設(shè)備控制中心只需要通過(guò)串口將自身的各種特征值(如溫度、濕度、深度、設(shè)備電壓電流等)傳給自救系統(tǒng)控制即可。之后，控制艙將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)的變化，一旦某一項(xiàng)數(shù)據(jù)超過(guò)危險(xiǎn)值上限，控制艙驅(qū)動(dòng)釋放器釋放自救浮標(biāo)，從而通知岸上人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行及時(shí)回收。

3 釋放器設(shè)計(jì)
    自救浮標(biāo)釋放機(jī)構(gòu)主要采用防水電磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)，而該電磁鐵的吸合與釋放主要通過(guò)繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)。程序設(shè)定為當(dāng)控制艙單片機(jī)的I／O引腳輸出為低電平時(shí)，繼電器打開(kāi)，電磁鐵上電。自救浮標(biāo)就會(huì)從釋放機(jī)構(gòu)脫落并且上浮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外報(bào)警和自救的功能，如圖3所示。

4 自救浮標(biāo)設(shè)計(jì)
    自救浮標(biāo)的設(shè)計(jì)主要是三方面：一是信號(hào)接收，即通過(guò)GPS模塊接收衛(wèi)星定位信號(hào)并發(fā)送給微處理器；二是控制和無(wú)線通信，通過(guò)微處理器控制GSM／GPRS模塊建立網(wǎng)絡(luò)鏈接，把報(bào)警信號(hào)和定位信號(hào)以短信的方式發(fā)送給岸基控制中心；三是能源方面，鑒于浮標(biāo)是在海面上，采用獨(dú)立電源供電保證了系統(tǒng)有足夠的續(xù)航時(shí)間。
    自救浮標(biāo)的外形設(shè)計(jì)如圖4所示。其中，頂部放置射頻天線，此處采用低功耗的ZYM-GA45(W)-3 GPS接收器和BENQ22GRPS收發(fā)模塊，用來(lái)接收GPS信號(hào)，發(fā)射GSM／GPRS信號(hào)。天線下的浮球用泡沫材料做成，用來(lái)保證天線通信的順暢并保持浮標(biāo)在水中的平衡。浮標(biāo)中間放置電路板和通信模塊。電路板下層放置系統(tǒng)供電電池。浮標(biāo)底部放置較重物品用來(lái)對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行配重，以使浮標(biāo)穩(wěn)定地漂浮；最底部是防水接頭，通過(guò)線纜與水下探測(cè)設(shè)備連接以進(jìn)行拖曳，同時(shí)還完成與目標(biāo)通信的功能。浮標(biāo)外殼采用甲醛樹(shù)脂材料加工制作，保證了系統(tǒng)的堅(jiān)固、防水。

    當(dāng)自救浮標(biāo)從釋放機(jī)構(gòu)脫離后，浮標(biāo)部分便自動(dòng)加電運(yùn)行。開(kāi)啟GPS模塊用來(lái)接收衛(wèi)星定位信號(hào)，同時(shí)把該信號(hào)傳送給微處理，微處理器通過(guò)發(fā)送指令來(lái)控制GPS模塊跟GSM／GPRS模塊，保障二者穩(wěn)定工作。GSM／GPRS模塊收到微處理器的指令以后，將GPS定位信號(hào)以短信的方式發(fā)送給主控制臺(tái)。主控制臺(tái)通過(guò)系統(tǒng)的處理，把定位信號(hào)在GIS電子地圖上顯示出來(lái)，使工作人員能夠迅速地找出浮標(biāo)所在位置。
    為了保證自救浮標(biāo)部分有足夠的續(xù)航時(shí)間，除了在電路部分采用低功耗芯片和低功耗模塊以外，電源的設(shè)計(jì)也是重點(diǎn)，它關(guān)系到整個(gè)自救系統(tǒng)的壽命，甚至整個(gè)系統(tǒng)的可行性。浮標(biāo)系統(tǒng)采用6000mA鋰電池單獨(dú)供電，可在不影響浮標(biāo)上浮的情況下保障系統(tǒng)連續(xù)工作48h以上。

5 系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證
5．1 控制艙部分
    系統(tǒng)上電運(yùn)行后，首先測(cè)試液晶顯示及各傳感器的數(shù)據(jù)采集是否正常，再進(jìn)行參數(shù)配置。此時(shí)需要上位機(jī)軟件。在PC機(jī)上編寫(xiě)如圖5示的VC界面，以設(shè)置特征值上限。PC與單片機(jī)以串口的形式進(jìn)行通信，通信協(xié)議如表1和表2所示。

    有關(guān)表1的通信協(xié)議解釋：PC機(jī)通過(guò)串口向釋放系統(tǒng)發(fā)送此條命令，以配置釋放器監(jiān)測(cè)參數(shù)。‘S’表示參數(shù)配置命令。濕度，溫度，工作時(shí)間，深度，設(shè)備電壓是要配置的參數(shù)上限。如果釋放系統(tǒng)傳感器測(cè)試到的濕度，溫度，工作時(shí)間，深度以及設(shè)備電壓等某一項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)既定上限，則釋放浮標(biāo)。
    有關(guān)表2的通信協(xié)議解釋：外部設(shè)備通過(guò)串口與釋放系統(tǒng)相聯(lián)，只要外部設(shè)備出現(xiàn)異常，就會(huì)發(fā)送此條釋放命令，釋放浮標(biāo)。‘P’表示浮標(biāo)釋放命令。
    在圖5中，硬件連好后，在文本框中填入要設(shè)置的參數(shù)上限值，然后點(diǎn)擊打開(kāi)串口按鈕，再點(diǎn)發(fā)送。單片機(jī)接收到參數(shù)配置命令后，啟動(dòng)參數(shù)配置任務(wù)，如果參數(shù)配置成功，則會(huì)返回一條參數(shù)配置成功命令到PC，PC接收成功后，在文本框中顯示“參數(shù)配置成功!”。

5．2 釋放機(jī)構(gòu)部分
    測(cè)試時(shí)，通過(guò)模擬實(shí)際環(huán)境特征，比如給溫度傳感器一個(gè)高溫度，控制艙主任務(wù)探測(cè)到溫度異常后觸發(fā)釋放浮標(biāo)任務(wù)，浮標(biāo)脫落。而像工作時(shí)間、深度、設(shè)備電壓上限值等的操作步驟和效果與溫度類似，不再贅述。
5．3 自救浮標(biāo)部分
    浮標(biāo)控制電路如圖6所示。在測(cè)試時(shí)，插上SIM卡，并接上GPS和天線，然后接上電源，系統(tǒng)提取了時(shí)間、經(jīng)度和緯度信息，并成功發(fā)送到手機(jī)號(hào)碼為151****4500的手機(jī)上。設(shè)置的發(fā)送頻率為3 min發(fā)送一條信息，發(fā)送頻率可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送短信進(jìn)行設(shè)置。也可以通過(guò)發(fā)送短信或打電話的形式停止或者啟動(dòng)短信的發(fā)送。

6 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，控制艙能穩(wěn)定地采集環(huán)境特征值，并且在環(huán)境特征出現(xiàn)異常時(shí)給電磁鐵上電，釋放浮標(biāo)；自救浮標(biāo)也能正常上浮并發(fā)送GPS定位信息給岸基控制中心。整個(gè)系統(tǒng)具有較高的可靠性和較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。