多传感器海洋测探浮标研究

2022-01-20张丽施严孙建红刘赛谢云彬卫宁

电子制作 2021年24期

关键词：浮标电源太阳能

张丽，施严，孙建红，刘赛，谢云彬，卫宁

（1.山东省经海仪器设备有限公司，山东青岛，266000；2.齐鲁工业大学（山东省科学院），山东青岛，266000；3.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛，266000）

0 引言

本文设计了一种多传感器融合的海洋浮标系统，解决了长时间传输、多参数采集的问题，设计了水下数据采集硬件系统，同时设计了无线通信模块，将数据进行长时间远距离传输，并且设计了太阳能供电系统，提高了整个浮标的利用率。

1 系统总体方案设计

整个设计分为三个部分，为数据采集部分、电源管理部分、无线传输部分，整个浮标的整体框图如图1所示，通过整体框图，可以将硬件和软件进行模块化，减少不同模块之间的耦合性。也方便后续再设计过程中能够增加效率，减少工作量。代码也是一样，增加可移植性。

图1 浮标整体框图

从图1中可以得知，整个数据的传输主要是靠SPI进行传输的，整个的电源是靠太阳能转换，进行电能存储和电源转换实现的，而且整个设计过程保留了唤醒功能，能够满足低功耗的要求，根据浮标工作环境的要求，需要克服恶劣的环境，从而水面为浮标球体，水下为数据采集，在数据传输过程中采用SPI通信，这样可以方便对数据的采集和传输，对于电源部分采用的是太阳能和锂电池组合的方式，太阳能板对太阳能进行收集转化为电能，然后将电能通过电源模块给锂电池进行充电，锂电池通过电源转换芯片给整个系统供电，GPS数据也是为了能够实时知道浮标的位置，方便后续的维护和处理，市面上GPS基本采用UART的传输方式，本文也是采用GPS来进行定位，方便实时跟踪，监察。

2 硬件设计方案

■2.1 数据采集设计

对于整个系统，最重要的就是对数据的采集，只有对环境数据进行精准的测量，才能够得到有用的数据，为了保证通信的正常和实时性，在处理采用SPI进行通信的前提下，又预留了其他两种通信方式，保证了浮标可以正常的进行数据交互。如图3就是数据采集的整个方式。整个数据采集使用的是MSP430作为主控制模块，作为低功耗的代表，MSP430可以长时间低功耗进行睡眠等待唤醒，MSP430最小系统原理图如图2所示。而且整个系统通过太阳能进行供电，通过电压转换来进行对系统供电，而MPU6050传感器也是为了获取更好的水质数据，由于所采用的传感器是模拟传感器，需要通过运算放大器和数模转换，从而才能将处理后的数据给到单片机，单片机对数据进行分析处理后，将有用数据通过天线发送出去，这样就可以让千里之外的人接收到浮标位置的海洋数据，能够让人进行数据的分析和处理，对自然灾害或者自然规律进行预测、解释。

图2 MSP430最小系统

图3 数据采集设计框架

对于传感器的选取，为了能够更加准确的采集到真实数据，而且也是为了数据的长期可靠，本文采用中北大学研制的水听传感器，并且配合姿态传感器，就可以对水下数据进行精准的采集，对于放大电路和滤波电路，需要较为精准的供电电压，因而在设计过程中，在这路电源供电中采用两级LDO，这样保证运放的供电稳定，能够有效的降低纹波，能够更加的保证输出信号的精准度，如图4为AD外围电路。

图4 AD外围电路

■2.2 无线通信设计

本文的无线传输部分，采用了SD卡、功率放大、GPS等模块，对信号进行放大传输，整个硬件结构如图5所示，其中GPS模组采用的是NEO-6M实现的，其外围如图6所示。通过SD卡进行本地保存，通过本地保存能够得到数据对比，和远程的数据对比，从而可以得到更加精准的数据，而对于SMA天线的功能，也是为了数据的稳定传输，海洋里面，恶劣环境随时都可能出现，在这样的环境中，需要能够可靠的传输数据，能够增强设备的抗干扰能力。

图5 无线通信硬件结构

图6 GPS外围图

■2.3 电源管理硬件设计

整个设计中，对于电源的要求比较高，需要长时间进行工作，如果只通过电池的方式无法满足数据采集的要求，因而在设计的过程中加入了太阳能电路板，通过这种方式，可以长时间进行数据的传输，当然这种方式会加重整个设备的体积和重量，由于产生的太阳能是不稳定的，因而在设计中加入电压转换模块，对于不同的传感器、单片机及放大电路，需要不同的电压，因而需要多个电路转换，分配给不同的模块供电。在电路设计由于太阳能的不稳定性，在设计的过程中采取电源管理模块对太阳能进行管理，这样可以有效的增加太阳能的稳定电能输出能力，在电源系统的设计过程中，采用树形结构，这样在有部分电源出问题的情况下，依然能够不影响其他模块的数据传输和正常的工作。

3 浮标软件设计

本次的设计采用C语言进行编程，在市场上通用的单片机编写KEIL，它可以极大的缩短代码周期，移植起来也很方便，通过KEIL的界面，进行代码的编写，然后完成汇编，让机器进行能够识别，从而完成代码的运行。

本次的软件设计主要是对数据的采集，然后传送到无线传输部分，最后向外发送，整个流程先初始化单片机时钟、定时器串口等，等待AD等功能正常初始化，然后匹配ID芯片，看是否匹配，等查找到匹配的器件以后，采集到数据，数据采集后，进入低功耗模式，等定时时间到了以后，进行唤醒，从而将数据通过无线方式传送出去，整个流程如图7所示，通过软件流程图，规划好每一部分的代码思路，进行模块化设计。

图7 软件流程图

4 系统版图

对于硬件部分采用的是三块，无线传输模块、电源管理模块和数据采集这三块，在对其进行布局布线过程中采用的是Altium Designer进行设计，考虑到浮标的体积和外形，采用的是圆形PCB，并严格限制了其布线范围，尽可能的减少PCB体积，整个布局合理分配元器件，并且预留了调试端口，方便对整个电路般的调试，也预留了传感器的数据传输接口，及复位电路，能方便的及时重启电路，保证数据的传输稳定有效。如图8所示为数据采集电路板。

图8 数据采集电路板

对于无线通信部分，主要包括了整个通信的主控制芯片部分，采用的是ESP32模组，并设计了调试接口，即USB接口，通过USB进行数据查看和调试，并配备了SD进行数据的存储，传输部分，采用的是GPS加运放电路的方式，增加传输距离，避免数据的丢失，而GPS的数据能够实时的知道现在浮标的位置，方便打捞，以及后续对浮标的维护。其硬件PCBA如图9所示，蓝色端子为电源入口，通过螺丝的方式可以有效的固定好电源的输入。

图9 无线通信PCBA

第三部分为电源管理部分，这部分分为电源充电器电路和电压转换电路，对于电源充电电路，采用的是BQ24650，其作为一种成熟的太阳能充电控制电路，能够高效且可靠的进行电能转换，对于电压转换部分，则根据特定的情况选择相应的电源芯片，因为整个系统中存在1.8V，3.3V，5V，根据不同需要的电压，进行分配，其PCBA实物图如图10所示。