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生的測量誤差。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

    該系統(tǒng)選用國產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 無線網橋傳輸

    傳感器信號經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段與有線局域網段進行物理介質層(Media Access Control，MAC層)互聯(lián)。無線網橋的工作方式有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，無線網橋比傳統(tǒng)的有線網絡連接方式更具優(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橋設備即可，能快速解決問題。

    本系統(tǒng)選用國產AOK-2412型無線網橋及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關和子網掩碼都設置為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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