0 引言

    水生綠色植物的生長依賴光合有效輻射（Photosynthetically Available Radiation，PAR）^[1]。通過獲知水體內(nèi)PAR的分布情況，能夠?yàn)樗w生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。目前廣泛應(yīng)用的水下PAR測量方法有遙感模型估算法和實(shí)地測試法。遙感模型估算法主要應(yīng)用于海洋輻射分布計(jì)算，但多數(shù)模型是對大氣輻射傳輸模型的簡化，誤差較大，且需要地面實(shí)測數(shù)據(jù)的校正^[2]。實(shí)地測試法是由試驗(yàn)人員手動(dòng)或船上絞車自動(dòng)將傳感器投放至水下，測量不同深度水體的PAR值^[3]。實(shí)測法所得數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，但受到人員、設(shè)備及船舶等的陰影效應(yīng)，使得有效測試時(shí)間短（正午前后），測試成本較高，操作安全性也需注意，因此有必要開發(fā)一套易于操作的水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水下光合有效輻射和其他水質(zhì)參數(shù)的自動(dòng)測量、顯示及存儲，在降低試驗(yàn)成本的同時(shí)增加了水面試驗(yàn)的安全性。

1 系統(tǒng)原理

    基于無線網(wǎng)橋傳輸?shù)乃鹿夂嫌行л椛溥h(yuǎn)程測試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、升降機(jī)構(gòu)和無線收發(fā)3部分組成，其中數(shù)據(jù)采集卡是系統(tǒng)的核心組件。為了便于水面測試，將由數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等組成的測控箱經(jīng)良好密封后固定在浮體上，并錨定或系泊在測試點(diǎn)附近。傳感器借助一個(gè)剛性支架延伸至測試點(diǎn)水面上方，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絞車控制其下降或上升，從而獲得不同深度的PAR數(shù)據(jù)。PAR傳感器信號比較微弱，需經(jīng)外置信號調(diào)理模塊放大，再輸入到多通道數(shù)據(jù)采集卡。無線網(wǎng)橋?qū)y試現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)將計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。

2 水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的硬件組成

    測試系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，其中升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及繞纜卷筒組成。數(shù)據(jù)采集卡、傳感器和無線網(wǎng)橋接入點(diǎn)(Access Point，AP)等小功率設(shè)備由同一塊12 VDC鋰電池供電，可持續(xù)不間斷測試7天；升降機(jī)構(gòu)由4塊12 VDC鉛酸蓄電池串聯(lián)供電，可維持電機(jī)不間斷工作20 h。在測控箱上設(shè)計(jì)有專用充電接口，為上述蓄電池進(jìn)行外部充電。穩(wěn)定的電源供電，使得系統(tǒng)可在水面上長時(shí)間工作，也為將來加裝太陽能電池板提供了升級空間。

2.1 傳感器

    該系統(tǒng)目前安裝有3類4個(gè)水下傳感器，分別是下行/上行PAR傳感器、濁度計(jì)及深度計(jì)。系統(tǒng)仍有相當(dāng)多的冗余通道可用于安裝其他類型水下傳感器。

    PAR傳感器選用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-192SA型光量子傳感器(Φ31.8×46.2 mm)，其探頭精度高，完全校準(zhǔn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所標(biāo)準(zhǔn)的±5%；線性度最大偏差僅為1%；穩(wěn)定性為一年內(nèi)變化小于±2%；反應(yīng)時(shí)間為10 μs；溫度依賴最大為±0.15%/℃；經(jīng)余弦修正，45°仰角內(nèi)全周方位角誤差小于±1%；測試水深最大為560 m。2個(gè)LI-192SA型傳感器分別用于測試太陽光入水后折射形成的下行輻射和經(jīng)下層水體反射形成的上行輻射。

    濁度計(jì)選用英國CTG公司生產(chǎn)的UniLux單參數(shù)熒光計(jì)（Φ26.5×105 mm），其動(dòng)態(tài)測量范圍為0~200 FTU；測試精度小于0.04 FTU；采樣頻率為1~3 Hz；模擬輸出電壓為0~5 V；測試水深最大為600 m。

    深度計(jì)選用國產(chǎn)PTJ301型投入式水位傳感器，100 m量程內(nèi)的綜合精度為0.2%FS；模擬輸出電壓為0~5 V；長期穩(wěn)定性為每年0.1%FS；在機(jī)械振動(dòng)頻率為20~1 000 Hz范圍內(nèi)，其輸出變化小于0.1%FS。

    傳感器固定安裝于鋁合金支架，并隨之吊放至水下，扁平的布放結(jié)構(gòu)可減少垂直方向橫截面積，降低水阻力，有效減小支架陰影產(chǎn)生的測量誤差。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

    該系統(tǒng)選用國產(chǎn)EM-9636BD型多功能16 bit數(shù)據(jù)采集卡，誤差小于0.02%；數(shù)據(jù)接口為10/100 M以太網(wǎng)接口，支持TCP/IP協(xié)議；緩沖區(qū)為8 Mbit，主動(dòng)上傳，自動(dòng)重發(fā)；采樣頻率最大為250 kHz；可選多種模擬信號(A/D)輸入范圍，本系統(tǒng)為0~5 V；A/D通道為單端32路/雙端16路；D/A通道為4路；支持3路脈寬調(diào)制輸出（Pulse-Width Modulation，PWM）；DI/DO通道為16路；工作溫度范圍為-20 ℃~70 ℃。

2.3 升降機(jī)構(gòu)

    系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)用于吊放/回收傳感器及其支架，步進(jìn)電機(jī)的控制電流由驅(qū)動(dòng)器提供，通過柔性聯(lián)軸器與繞纜卷筒聯(lián)接構(gòu)成小型絞車，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速即實(shí)現(xiàn)傳感器在水中升降及速度調(diào)節(jié)。其中，電機(jī)選用國產(chǎn)86型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，技術(shù)指標(biāo)及要求：防水等級為IP68；保持力矩為2.8 N·m；步距角為1.8°。步進(jìn)電機(jī)有3種控制信號，包括啟停信號、方向信號及速度脈沖信號，分別由數(shù)據(jù)采集卡的DO通道和PWM通道輸出。傳感器升降的速度可按照下式計(jì)算得到：

式中：v為升降速度，θ為步進(jìn)電機(jī)步距角，f為PWM脈沖頻率，D為繞纜卷筒直徑，n為繞纜圈數(shù)（0，1，2，3…），d為繞纜直徑。

2.4 無線網(wǎng)橋傳輸

    傳感器信號經(jīng)金屬導(dǎo)線進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，不可避免地受到電磁干擾和信號衰減的影響，且電纜成本較高，而水上架纜和維護(hù)更為困難。無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)是解決上述問題的理想方案，它可將相距數(shù)百米至數(shù)十千米不等的兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的無線局域網(wǎng)段與有線局域網(wǎng)段進(jìn)行物理介質(zhì)層(Media Access Control，MAC層)互聯(lián)。無線網(wǎng)橋的工作方式有3種，分別是點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及中繼連接，支持802.11b/g/n(2.4 GHz頻段)協(xié)議和802.11a(5.8 GHz頻段)協(xié)議，傳輸速率理論上高達(dá)300 Mb/s，可以滿足視頻級無線傳輸需求^[4]。進(jìn)行水面測試時(shí)，無線網(wǎng)橋比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)連接方式更具優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

    (1)無線網(wǎng)橋適用于室外條件，且江河湖海等水體表面無高大的障礙物，可獲得最佳的數(shù)據(jù)傳輸效果；

    (2)無線網(wǎng)橋在覆蓋范圍內(nèi)抗干擾能力強(qiáng)，基本沒有信號衰減，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿撸?/p>

    (3)配合全向天線組成無線接入點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)可以自由選擇位于船上或岸上，無需考慮水上測試平臺的朝向；

    (4)網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)間短，配對成功后上電即可自動(dòng)識別連接，且出現(xiàn)故障時(shí)只需維護(hù)兩端無線網(wǎng)橋設(shè)備即可，能快速解決問題。

    本系統(tǒng)選用國產(chǎn)AOK-2412型無線網(wǎng)橋及2根16 dBi全向天線作為無線接入點(diǎn)AP，選用AOK-2415型無線網(wǎng)橋作為站(Station)，工作頻段為2.4 GHz，設(shè)置為點(diǎn)對點(diǎn)收發(fā)模式，信道帶寬為40 MHz，覆蓋范圍為3~5 km。為避免周邊同頻率無線設(shè)備的干擾，可適當(dāng)選擇或更改信道。AP端的供電由前述12 VDC鋰電池提供，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線與數(shù)據(jù)采集卡相連；Station端的供電由24 VDC/POE（Power Over Ethernet，以太網(wǎng)供電）模塊提供，數(shù)據(jù)接入計(jì)算機(jī)RJ45接口，如圖2所示。

3 水下光合有效輻射遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件基于LabVIEW平臺和Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行開發(fā)。

3.1 Modbus/TCP協(xié)議

    Modbus/TCP協(xié)議是開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)模式進(jìn)行報(bào)文傳輸，該模式下包括4種基本類型報(bào)文，分別是“請求”、“指示”、“響應(yīng)”和“證實(shí)”。客戶機(jī)首先發(fā)送啟動(dòng)事務(wù)處理的請求，服務(wù)端接收到該指示后發(fā)出響應(yīng)，執(zhí)行動(dòng)作，客戶機(jī)接收到響應(yīng)后給出證實(shí)。

    與一般的Modbus協(xié)議不同，Modbus/TCP使用了一種專用報(bào)文頭識別Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元，即MBAP（Modbus Application Protocol）報(bào)文頭^[5]。MBAP報(bào)文頭占用7個(gè)字節(jié)，分為4個(gè)域：事務(wù)元標(biāo)識符(2 bit，識別待處理事務(wù))、協(xié)議標(biāo)識符(2 bit，取0)、長度(2 bit，標(biāo)識之后的字節(jié)數(shù))和單元標(biāo)識符(1 bit，識別串行鏈路或其他總線上的遠(yuǎn)程從站)。MBAP報(bào)文頭之后是功能碼和數(shù)據(jù)段，功能碼用于區(qū)別該指令要執(zhí)行的動(dòng)作，數(shù)據(jù)段包括起始地址和輸入/輸出值。TCP/IP協(xié)議可保證數(shù)據(jù)包正確傳遞，因此Modbus/TCP協(xié)議幀沒有校驗(yàn)域。舉例說明，需要讀取數(shù)據(jù)采集卡A/D通道1的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)廠家定制該命令的功能碼為0x03，A/D通道1的寄存器地址為0x100，則該動(dòng)作的請求和應(yīng)答指令如圖3所示。其中，0x8000為響應(yīng)后的A/D通道1數(shù)據(jù)值。

3.2 LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)

    利用LabVIEW平臺的TCP基礎(chǔ)函數(shù)庫，如“TCP open connection.vi”、“TCP close connection.vi”、“TCP write.vi”和“TCP read.vi”等子vi，即可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的Modbus/TCP通信。設(shè)置命令端口為8000，數(shù)據(jù)端口為8001，數(shù)據(jù)采集卡的IP地址為192.168.1.26，計(jì)算機(jī)的IP設(shè)為192.168.1.*，即除數(shù)據(jù)采集卡占用IP外的其他任意地址。將數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)的網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼都設(shè)置為192.168.1.1和255.255.255.0。

    該遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)軟件的主體結(jié)構(gòu)是采用3個(gè)并行的while循環(huán)作為框架，結(jié)合多個(gè)事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的控制，主要包括數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、參數(shù)設(shè)置及電機(jī)控制等6個(gè)主要模塊。

    軟件的運(yùn)行流程是，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置并打開TCP連接，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的參數(shù)后即可開始采集數(shù)據(jù)。進(jìn)入電機(jī)控制界面，啟動(dòng)電機(jī)并以設(shè)定的轉(zhuǎn)速和方向動(dòng)作。數(shù)據(jù)采集開始后，可隨時(shí)保存數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)內(nèi)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，即可停止電機(jī)并關(guān)閉TCP連接。

4 結(jié)束語

    本文以虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW為平臺，應(yīng)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和Modbus/TCP通信技術(shù)搭建了一套無線遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)。通過實(shí)際測試，本系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)光合有效輻射等水下參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲，能夠控制傳感器在水中的升降。采用無線網(wǎng)橋的無線傳輸能力取代傳統(tǒng)的有線連接，降低了系統(tǒng)搭建成本，同時(shí)使得水上測試不再受環(huán)境、空間和距離的限制，進(jìn)一步提高了安全性。

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