摘要：為了保障海洋探測設備的順利回收，盡可能減少人員或財產(chǎn)的損失，利用GPS和GSM網(wǎng)絡模塊以及防水電磁鐵等相關器件，設計了一種智能且通用的水下自救釋放系統(tǒng)。旨在水下設備遇到危險時，自救釋放器釋放自救浮標，用于告警和定位水下設備，使其安全回收，也可用于水下工作人員或其他水下目標的水面定位。
關鍵詞：自救釋放器；自救浮標；GPS；GSM／GPRS；AUV
0 引言
用于水下探測的設備品種繁多且價格昂貴，在海上實驗時如何保障這些設備的順利回收，盡可能減少損失，成為人們關注的焦點之一。目前的常用方法是為水下設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，應用范圍受到很大限制。甚至許多水下探測設備沒有自救裝置，主要是依靠工作人員的保障措施，如固定設備或加系纜繩等。
本文旨在設計一種高可靠性，低成本且通用的水下自救釋放器及與其配套的自救浮標，可以用于定位水下設備，保障其安全回收。
1 系統(tǒng)總體方案
該系統(tǒng)的外形結(jié)構設計如圖1所示。其結(jié)構主要包括自救浮標、釋放機構和控制艙3部分。自救浮標在備出現(xiàn)危險時被釋放以通知岸上人員回收設備，釋放機構主要負責自救浮標的釋放，而控制艙則是采集設備數(shù)據(jù)進行決策控制的核心。
自救浮標中裝有GPS模塊、GSM／GPRS模塊；釋放機構主要部件是防水電磁鐵，并以機械儲能的方式釋放浮標；控制艙內(nèi)主要是以sPIC30F 4011單片機為處理核心的控制板，完成浮標釋放命令的執(zhí)行、參數(shù)配置命令的處理以及外部設備電源電壓、工作溫度、深度的采集等任務。艙內(nèi)還有電源管理模塊以實現(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)構如圖2所示。
命令接收及數(shù)據(jù)采集模塊主要負責接收外部命令和采集外部設備的工作參數(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)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)進行判斷，進而采取相應的措施，如通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)，用LED顯示外部設備的工作狀態(tài)和釋放自救浮標等。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 控制艙設計
控制艙核心處理器采用dsPIC30F4011單片機并嵌入實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，用來完成參數(shù)采集、通信、數(shù)據(jù)判斷以及釋放浮標等任務的執(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、聲學釋放命令擴展接口以及應急釋放按鈕(見圖1)。在使用時，需先通過串口以一定協(xié)議格式對釋放器監(jiān)測參數(shù)進行配置(如設定傳感器數(shù)據(jù)危險上限值等)，此時需要上位機軟件，其中上位機與單片機以串口的形式進行通信。出現(xiàn)危險時可通過串口向釋放器發(fā)送釋放浮標指令或釋放器自身通過A／D輸入接口監(jiān)測設備工作狀態(tài)進而判斷釋放浮標。聲學釋放命令擴展接口用于接收岸上人員發(fā)送的聲學釋放浮標命令，該接口為擴展接口。應急釋放按鈕用于水下作業(yè)人員通過按鈕釋放浮標。此外艙外還有LED燈，用于顯示數(shù)據(jù)和外部設備的工作狀態(tài)。艙內(nèi)配有LCD顯示屏，供開發(fā)調(diào)試使用。
在數(shù)據(jù)參數(shù)閾值判斷方面，由于水下探測設備一般都會自帶有溫濕度傳感器等裝置，水下探測設備控制中心只需要通過串口將自身的各種特征值(如溫度、濕度、深度、設備電壓電流等)傳給自救系統(tǒng)控制即可。之后，控制艙將實時監(jiān)測這些數(shù)據(jù)的變化，一旦某一項數(shù)據(jù)超過危險值上限，控制艙驅(qū)動釋放器釋放自救浮標，從而通知岸上人員對設備進行及時回收。[!--empirenews.page--]
3 釋放器設計
自救浮標釋放機構主要采用防水電磁鐵來實現(xiàn)，而該電磁鐵的吸合與釋放主要通過繼電器來驅(qū)動。程序設定為當控制艙單片機的I／O引腳輸出為低電平時，繼電器打開，電磁鐵上電。自救浮標就會從釋放機構脫落并且上浮，從而實現(xiàn)對外報警和自救的功能，如圖3所示。
4 自救浮標設計
自救浮標的設計主要是三方面：一是信號接收，即通過GPS模塊接收衛(wèi)星定位信號并發(fā)送給微處理器；二是控制和無線通信，通過微處理器控制GSM／GPRS模塊建立網(wǎng)絡鏈接，把報警信號和定位信號以短信的方式發(fā)送給岸基控制中心；三是能源方面，鑒于浮標是在海面上，采用獨立電源供電保證了系統(tǒng)有足夠的續(xù)航時間。
自救浮標的外形設計如圖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，用來接收GPS信號，發(fā)射GSM／GPRS信號。天線下的浮球用泡沫材料做成，用來保證天線通信的順暢并保持浮標在水中的平衡。浮標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。浮標底部放置較重物品用來對浮標進行配重，以使浮標穩(wěn)定地漂浮；最底部是防水接頭，通過線纜與水下探測設備連接以進行拖曳，同時還完成與目標通信的功能。浮標外殼采用甲醛樹脂材料加工制作，保證了系統(tǒng)的堅固、防水。
當自救浮標從釋放機構脫離后，浮標部分便自動加電運行。開啟GPS模塊用來接收衛(wèi)星定位信號，同時把該信號傳送給微處理，微處理器通過發(fā)送指令來控制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定位信號以短信的方式發(fā)送給主控制臺。主控制臺通過系統(tǒng)的處理，把定位信號在GIS電子地圖上顯示出來，使工作人員能夠迅速地找出浮標所在位置。
為了保證自救浮標部分有足夠的續(xù)航時間，除了在電路部分采用低功耗芯片和低功耗模塊以外，電源的設計也是重點，它關系到整個自救系統(tǒng)的壽命，甚至整個系統(tǒng)的可行性。浮標系統(tǒng)采用6000mA鋰電池單獨供電，可在不影響浮標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)試與驗證
5．1 控制艙部分
系統(tǒng)上電運行后，首先測試液晶顯示及各傳感器的數(shù)據(jù)采集是否正常，再進行參數(shù)配置。此時需要上位機軟件。在PC機上編寫如圖5示的VC界面，以設置特征值上限。PC與單片機以串口的形式進行通信，通信協(xié)議如表1和表2所示。
有關表1的通信協(xié)議解釋：PC機通過串口向釋放系統(tǒng)發(fā)送此條命令，以配置釋放器監(jiān)測參數(shù)。‘S’表示參數(shù)配置命令。濕度，溫度，工作時間，深度，設備電壓是要配置的參數(shù)上限。如果釋放系統(tǒng)傳感器測試到的濕度，溫度，工作時間，深度以及設備電壓等某一項指標超過既定上限，則釋放浮標。[!--empirenews.page--]
有關表2的通信協(xié)議解釋：外部設備通過串口與釋放系統(tǒng)相聯(lián)，只要外部設備出現(xiàn)異常，就會發(fā)送此條釋放命令，釋放浮標。‘P’表示浮標釋放命令。
在圖5中，硬件連好后，在文本框中填入要設置的參數(shù)上限值，然后點擊打開串口按鈕，再點發(fā)送。單片機接收到參數(shù)配置命令后，啟動參數(shù)配置任務，如果參數(shù)配置成功，則會返回一條參數(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 釋放機構部分
測試時，通過模擬實際環(huán)境特征，比如給溫度傳感器一個高溫度，控制艙主任務探測到溫度異常后觸發(fā)釋放浮標任務，浮標脫落。而像工作時間、深度、設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 自救浮標部分
浮標控制電路如圖6所示。在測試時，插上SIM卡，并接上GPS和天線，然后接上電源，系統(tǒng)提取了時間、經(jīng)度和緯度信息，并成功發(fā)送到手機號碼為151****4500的手機上。設置的發(fā)送頻率為3 min發(fā)送一條信息，發(fā)送頻率可以通過手機發(fā)送短信進行設置。也可以通過發(fā)送短信或打電話的形式停止或者啟動短信的發(fā)送。
6 結(jié)語
通過實踐驗證，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)異常時給電磁鐵上電，釋放浮標；自救浮標也能正常上浮并發(fā)送GPS定位信息給岸基控制中心。整個系統(tǒng)具有較高的可靠性和較長的續(xù)航時間。
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