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PAR的分布情況，能夠為水體生態(tài)系統(tǒng)的保護和恢復提供技術和數(shù)據(jù)支撐,。目前廣泛應用的水下PAR測量方法有遙感模型估算法和實地測試法,。遙感模型估算法主要應用于海洋輻射分布計算，但多數(shù)模型是對大氣輻射傳輸模型的簡化,，誤差較大,，且需要地面實測數(shù)據(jù)的校正^[2]。實地測試法是由試驗人員手動或船上絞車自動將傳感器投放至水下,，測量不同深度水體的PAR值^[3],。實測法所得數(shù)據(jù)比較準確，但受到人員,、設備及船舶等的陰影效應，使得有效測試時間短（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程測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合了現(xiàn)代傳感器技術,、信號處理技術和無線網(wǎng)橋傳輸技術,，實現(xiàn)了水下光合有效輻射和其他水質參數(shù)的自動測量、顯示及存儲,，在降低試驗成本的同時增加了水面試驗的安全性,。

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程測試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、升降機構和無線收發(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,、步進電機及驅動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附近。傳感器借助一個剛性支架延伸至測試點水面上方,，由步進電機驅動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)外置信號調理模塊放大,，再輸入到多通道數(shù)據(jù)采集卡。無線網(wǎng)橋將測試現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端的監(jiān)控計算機,，同時將計算機發(fā)出的控制指令傳遞給數(shù)據(jù)采集卡,，以控制步進電機的轉速和方向。

2 水下光合有效輻射遠程測試系統(tǒng)的硬件組成

    測試系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示,，其中升降機構由步進電機,、驅動器及繞纜卷筒組成。數(shù)據(jù)采集卡,、傳感器和無線網(wǎng)橋接入點(Access Point,，AP)等小功率設備由同一塊12 VDC鋰電池供電，可持續(xù)不間斷測試7天,；升降機構由4塊12 VDC鉛酸蓄電池串聯(lián)供電,，可維持電機不間斷工作20 h。在測控箱上設計有專用充電接口,，為上述蓄電池進行外部充電,。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個水下傳感器，分別是下行/上行PAR傳感器,、濁度計及深度計,。系統(tǒng)仍有相當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,，完全校準為美國國家標準與技術研究所標準的±5%,；線性度最大偏差僅為1%；穩(wěn)定性為一年內變化小于±2%,；反應時間為10 μs,；溫度依賴最大為±0.15%/℃；經(jīng)余弦修正,，45°仰角內全周方位角誤差小于±1%,；測試水深最大為560 m。2個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,。

    濁度計選用英國CTG公司生產(chǎn)的UniLux單參數(shù)熒光計（Φ26.5×105 mm）,，其動態(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,。

    深度計選用國產(chǎn)PTJ301型投入式水位傳感器,，100 m量程內的綜合精度為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,；在機械振動頻率為20~1 000 Hz范圍內，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，扁平的布放結構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,，主動上傳，自動重發(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 升降機構

    系統(tǒng)中步進電機用于吊放/回收傳感器及其支架,，步進電機的控制電流由驅動器提供，通過柔性聯(lián)軸器與繞纜卷筒聯(lián)接構成小型絞車,，控制電機的旋轉方向和轉速即實現(xiàn)傳感器在水中升降及速度調節(jié),。其中，電機選用國產(chǎn)86型兩相混合式步進電機,，技術指標及要求：防水等級為IP68,；保持力矩為2.8 N·m；步距角為1.8°,。步進電機有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算得到：

式中：v為升降速度，θ為步進電機步距角,，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)金屬導線進行遠距離傳輸，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,，而水上架纜和維護更為困難,。無線網(wǎng)橋傳輸技術是解決上述問題的理想方案,，它可將相距數(shù)百米至數(shù)十千米不等的兩個或多個獨立的無線局域網(wǎng)段與有線局域網(wǎng)段進行物理介質層(Media Access Control，MAC層)互聯(lián),。無線網(wǎng)橋的工作方式有3種,，分別是點對點、點對多點及中繼連接,，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300 Mb/s,，可以滿足視頻級無線傳輸需求^[4]。進行水面測試時,，無線網(wǎng)橋比傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡連接方式更具優(yōu)勢,，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

    (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)橋在覆蓋范圍內抗干擾能力強，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,，監(jiān)控點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)絡配置時間短,，配對成功后上電即可自動識別連接，且出現(xiàn)故障時只需維護兩端無線網(wǎng)橋設備即可,，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AP，選用AOK-2415型無線網(wǎng)橋作為站(Station),，工作頻段為2.4 GHz,，設置為點對點收發(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備的干擾，可適當選擇或更改信道,。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)接入計算機RJ45接口，如圖2所示,。

3 水下光合有效輻射遠程測試系統(tǒng)的軟件設計

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

3.1 Modbus/TCP協(xié)議

    Modbus/TCP協(xié)議是開放的工業(yè)網(wǎng)絡通信協(xié)議，采用客戶機/服務器(C/S)模式進行報文傳輸,，該模式下包括4種基本類型報文,，分別是“請求”、“指示”,、“響應”和“證實”,。客戶機首先發(fā)送啟動事務處理的請求，服務端接收到該指示后發(fā)出響應,，執(zhí)行動作,，客戶機接收到響應后給出證實。

    與一般的Modbus協(xié)議不同,，Modbus/TCP使用了一種專用報文頭識別Modbus應用數(shù)據(jù)單元,，即MBAP（Modbus Application Protocol）報文頭^[5]。MBAP報文頭占用7個字節(jié),，分為4個域：事務元標識符(2 bit,，識別待處理事務)、協(xié)議標識符(2 bit,，取0)、長度(2 bit,，標識之后的字節(jié)數(shù))和單元標識符(1 bit,，識別串行鏈路或其他總線上的遠程從站)。MBAP報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，則該動作的請求和應答指令如圖3所示,。其中,，0x8000為響應后的A/D通道1數(shù)據(jù)值。

3.2 LabVIEW軟件實現(xiàn)

    利用LabVIEW平臺的TCP基礎函數(shù)庫,，如“TCP open connection.vi”,、“TCP close connection.vi”、“TCP write.vi”和“TCP read.vi”等子vi,，即可實現(xiàn)本系統(tǒng)的Modbus/TCP通信,。設置命令端口為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,，計算機的IP設為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)采集卡和計算機的網(wǎng)關和子網(wǎng)掩碼都設置為192.168.1.1和255.255.255.0,。

    該遠程測試系統(tǒng)軟件的主體結構是采用3個并行的while循環(huán)作為框架，結合多個事件結構進行系統(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)絡通信,、參數(shù)設置及電機控制等6個主要模塊,。

    軟件的運行流程是，首先進行網(wǎng)絡參數(shù)的配置并打開TCP連接,，設置數(shù)據(jù)采集的參數(shù)后即可開始采集數(shù)據(jù),。進入電機控制界面，啟動電機并以設定的轉速和方向動作,。數(shù)據(jù)采集開始后,，可隨時保存數(shù)據(jù)至計算機內，數(shù)據(jù)采集結束后,，即可停止電機并關閉TCP連接,。

4 結束語

    本文以虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW為平臺，應用現(xiàn)代傳感器技術,、信號處理技術和Modbus/TCP通信技術搭建了一套無線遠程測試系統(tǒng),。通過實際測試，本系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)光合有效輻射等水下參數(shù)的實時采集,、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,，同時使得水上測試不再受環(huán)境、空間和距離的限制,，進一步提高了安全性,。

參考文獻

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