CN115755685A - 一种双处理器海洋漂流浮标控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，涉及海洋观测技术领域，包括主控模块，数据采集模块，电量监测模块，通信定位模块；主控模块包括有主处理器和故障协处理器，通过主处理器向故障处理器发送识别码判断主处理器是否出现故障，当主处理器出现故障时，故障协处理器开始接替控制系统的主要工作，根据判断结果确定合适的处理器控制系统运行工作，根据确定后的处理器获取系统所剩余电量，依据获取的系统剩余电量确定系统的工作频率，然后开始执行数据采集任务；将所采集到的数据与正常采集数据对比来实时切换数据采集的采样频率；在数据采集完成后开始获取浮标的位置信息，将所获取的位置信息和采集到的数据发送给岸站上位机进行处理。
Description
技术领域
本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种双处理器海洋漂流浮标控制系统。
背景技术
海洋拥有丰富的渔业、油气、矿产等资源，但是在辽阔的海域上所建立的海洋观测站点却十分稀少，这是因为海洋上符合建立气象和水文观测站条件的岛屿不多；目前，人们所获取的海洋气象观测资料主要由卫星遥感、商船气象报告、非业务性飞机、海洋漂流浮标等观测设备提供。
海洋漂流浮标是目前常用的海洋观测设备之一，可以对海洋环境情况进行实时有效的监测；相比于其他的海洋观测设备，其具有体积小、随流性好、隐蔽性高、成本低、可以实现多点观测等特点；因此，近些年来，海洋漂流浮标逐渐成为各个国家海洋观测领域研究的重点。
近些年来，我国在海洋观测领域取得了众多突破，但漂流浮标自主研发水平总体上还是与世界发达国家还有一定的差距，比如，我国以往研制的漂流浮标观测系统以测量海温和海流为主，缺少对各类其他海洋要素的观测数据；浮标整体耗能较大，在海上理论工作时间极少超过两年；对海上突发系统故障情况考虑不足，几乎没有进行相关的设计考虑。基于此实际使用需求，以提升重点海区观测水平为目标，针对现有漂流浮标观测技术存在的不足以及海洋要素综合观测需求的不断增加，在现代电子技术及通信技术基础上，设计了一种新型低功耗、高可靠性以及高数据采集质量的海洋综合观测系统以解决以上问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，解决现有技术存在的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，包括：
电量监测模块，用于获取实时电源电量；
数据采集模块，用于采集浮标外部海洋环境信息；
通信定位模块，用于获取漂流浮标的位置信息；
主控模块，包括有主处理器和故障协处理器，通过主处理器向故障处理器发送识别码判断主处理器是否出现故障，当主处理器出现故障时，故障协处理器开始接替控制系统的主要工作，根据判断结果确定合适的处理器控制系统运行工作；
根据确定后的处理器获取系统所剩余电量，依据获取的系统剩余电量确定系统的工作频率，然后开始执行数据采集任务；将所采集到的数据与正常采集数据对比来实时切换数据采集的采样频率；在数据采集完成后开始获取浮标的位置信息，将所获取的位置信息和采集到的数据发送给岸站上位机进行分析处理。
进一步地，还包括：电源管理模块、存储模块，
所述电源管理模块用于对各个模块进行供电管理；
所述存储模块用于对所述数据采集模块采集到的数据进行存储。
进一步地，所述存储模块采用SD卡进行数据存储。
进一步地，所述电量监测模块采用LTC2944电量监测芯片，用于切换系统工作时间，当系统时间是在夜间十二点到十二点零三分之间，则系统不执行其他工作，只等待岸站人员命令；当系统时间不是，则开始检测当前电池电量，若电池电量大于百分之五十时，系统每两小时工作三分钟，若电池电量小于百分之五十时，系统每四小时工作三分钟。
进一步地，所述监测模块还包括环境监测模块，所述环境监测模块包括MS5611气压传感器芯片和SHT21温湿度传感器芯片，用于实时监测当前浮球内部的气压和温度情况。
进一步地，所述通信定位模块包括北斗通信定位模块和铱星通信定位模块，用于获取漂流浮标的相关信息并发送给岸站工作人员。
进一步地，所述北斗通信定位模块用于通信终端进行通信定位，所述铱星通信定位模块用于北斗通信定位模块出现故障时接替其通信终端通信定位，并向岸站报告异常原因。
进一步地，所述故障协处理器连接有功能扩展模块，实现对系统功能的扩展。
进一步地，还包括远程控制指令，所述远程控制指令优先级从高到低依次为系统复位及电源控制、工作时间改变、采样频率改变、存储数据读取、信号检测、系统自身自动执行指令。
本发明提供了一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，具备以下有益效果：
该本发明提供的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，相比于其他漂流浮标系统其功耗较低，预估可以实现在海上工作五年以上；能够适应海洋不同于陆地的特殊环境，能够对电子系统受到海洋特殊环境所产生的各类影响进行应急处理，实现对其所经过海域的气压、水温、波高以及波周期等海洋环境要素进行连续、准确地采集，为海洋环境监测预报、海洋生态环境保护及海洋国土安全保障等领域提供技术支撑。
附图说明
图1为整个系统设计框图；
图2为系统供电管理框图；
图3为场效应管和三极管配合设计的开关电路原理图；
图4为岸站命令分类框图；
图5为第一次处理器检测流程图；
图6为第二次处理器检测流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1-6，本发明提供的技术方案：
一种双处理器海洋漂流浮标控制系统分为主控模块、预留的多元适配性接口(连接数据采集外设传感器)、功能扩展模块、电源模块、电源管理模块、通信定位模块、存储模块、电量监测模块、环境监测模块等。
基于STM32芯片所具有的多种工作模式，主控模块选取STM32芯片，当系统正常运行时，微处理器进入正常运行模式，当系统进入休眠状态时，微处理器进入低功耗模式；主控模块包括有主处理器和故障协处理器，故障协处理器通过主控模块所预留的接口相连接，只包含系统运行的主要功能；由于海洋装备种类多样，为了实现系统多样化载荷功能，故障协处理器上设计了海洋装备常用的各种接口，包括：RS485、RS232、CAN等，本系统目前计划搭载水温探头、波浪仪以及外设气压传感器，同时，将故障协处理器与功能扩展模块相连接，实现对系统功能的扩展，功能扩展模块上包含有FLASH芯片W25Q128、运动处理组件MPU6050、DS1339B外部定时时钟电路等各种芯片，可以根据自己的需要，将功能扩展模块上所需使用的传感器芯片引脚与故障协处理器相连，实现低功耗与高实用性间的完美平衡。
电源模块由一块总容量1000Wh、供电电压12V的电池作为核心供电单元，同时配备四组电压转换电路所构成，如图2所示，基于MP2359电源芯片良好的低功耗特性参数和性能，本系统选取MP2359电源芯片作为电压转换电路主芯片，将MP2359电源芯片、DMP3036SSS场效应管、DTC143ZETL数字三极管相结合设计多路电源供电管理电路；通过调整电压转化电路的电阻和电容大小，得到不同电压输出，系统分为四路供电：第一组12V转3.3V，为主控芯片供电，处于常开状态，主控模块控制其他三组电源芯片的EN引脚电平，根据实际情况，调整其他各路电源供电，由于北斗模块发射瞬间电流较大，第二组12V转5V单独为北斗模块供电，当北斗模块使用结束以后该组MP2359电源芯片立刻进入关闭模式，第三组和第四组电源转换电路分别将12V转为3.3V和5V，为其他各种芯片和外设传感器进行供电；同时，为了能够对每个传感器的供电进行管理，该系统通过P沟道场效应管和NPN三极管相结合，设计开关电路，如图3所示，将三极管发射极接地，基极接主控单元普通IO口，集电极与场效应管栅极直接相连。将场效应管的栅极通过300K的电阻与其源极相连，并在场效应管源极连接供电电源。传感器上电时，将三极管基极置高电平，三极管导通，场效应管栅电极电压变为0，场效应管源极电压为供电电源电压，场效应管导通，传感器启动，能实时控制每个传感器的上电情况。
同时系统设计了北斗和铱星两种通信定位模块接口，既可搭载北斗通信定位模块，又可搭载铱星通信定位模块。系统每次使用通信终端前，都需向通信定位模块发送信号检测命令和功能检测命令，若北斗模块反馈正常，则立刻关闭铱星通信定位模块，使用北斗模块进行通信定位。若北斗工作异常，则使用铱星模块进行通信定位，并向岸站报告异常原因。
数据存储模块的核心为SD卡，当系统采集数据结束以后，读取当前STM32芯片内部的RTC时钟，以当前采集数据时间为文件名，形成数据日志，存入SD中，方便岸站工作人员日后进行数据读取。
电量监测模块核心为LTC2944电量监测芯片，LTC2944芯片通过对流经采样电阻的电流进行积分，可得到当前系统所消耗的电量，同时能够测量电池的电压以及系统总电流，将所测量的数据存储在芯片内部的寄存器中，主控模块读取芯片寄存器内所存储的数据，可知当前系统所消耗的电量，用电池总电量减去所消耗的电量，得到电池剩余电流。当检测到电池剩余电流不足一半时，系统休眠时间翻倍，工作时间切换为每四小时工作三分钟。
环境监测模块由MS5611气压传感器芯片以及SHT21温湿度传感器芯片所构成，可以实时监测当前浮球内部的气压和温度情况。由于漂流浮标是一个密闭的空间，正常情况下，浮球内部的气压和温度不会在短时间内出现剧烈的变化。漂流浮标主控系统读取环境监测模块所采集的数据，当浮球内部温度或气压数据超过所设定阈值时，立刻对整个系统进行断电处理，等待二十四小时后尝试重新进行工作。
而系统监测功能除了包含对数据采集模块、主控模块、通信定位模块、漂流浮标内部温度气压状态等系统工作状态的审核，还包含对数据状态审核的审核，数据状态审核主要包括审查是否有数据发生极不正常突变、采集到的相邻两组数据之间的间隔是否符合所设定的数据采集间隔。
为了处理系统无法进行自我修复所检测的问题的情况，通信终端和其他外设传感器除了接收来自控制中心的控制命令以外，还增设了大量远程控制指令。远程控制指令主要分为五类：读取SD卡所存储的数据日志、系统复位及电源控制、切换外设传感器采样频率、改变系统工作时间、通信定位模块信号检测，约定某个特定时间系统专门用于等待岸站命令而不执行其他操作。
这些指令控制系统执行不同的工作，当系统正处于某项命令的工作周期内时，系统又接收到了新的控制指令，此时，系统需要对是否停止当前所执行的工作指令而进行判断。基于此，本系统建立了远程控制指令设立指令优先级机制，以调节不同指令之间的冲突，所设立的命令优先级如下表所示。
| 优先级 | 指令 |
| 第一级(最高级) | 系统复位及电源控制相关指令 |
| 第二级 | 工作时间改变相关指令 |
| 第三级 | 采样频率改变相关指令 |
| 第四级 | 存储数据读取相关指令 |
| 第五级 | 信号检测相关指令 |
| 第六级(最低级) | 系统自身自动执行指令 |
由于使用的是双处理器控制系统，其功耗要略高于单处理器漂流浮标系统，基于此设计出一套低功耗智能切换算法来降低系统的功耗：
系统由两块STM32芯片进行控制，两块STM32芯片之间相互独立，两芯片常规状态都属于休眠状态，直到上电指令到来；上电指令到来以后，主处理器向故障协处理器发送识别码“OK”，当故障协处理器接收到识别码以后停止发送，最多冗余发送六次；若所发送的六次识别码故障协处理器均未接收到，说明主处理器出现故障，此时故障协处理器对主处理器冗余复位六次，每次复位结束以后，向主处理器发送询问指令“YE”，若主处理器恢复正常，故障协处理器将会接收到识别码“YW”，如果依然无接收数据，说明主处理器已损坏，此时，故障协处理器将主处理器状态标志位置为1，并生成相应的错误报告，故障协处理器开始接替控制系统的主要工作。
根据系统处理器状态检测结果，选取合适的处理器读取RTC时钟信息，当读取时间为夜间十二点到十二点零三分之间，系统将进入待命状态，此状态下，系统不执行其他工作，只等待岸站工作人员的指令，除非接收到系统复位指令，并且主处理器状态位为1(损坏状态)；此时系统将额外执行一次多信道数据采集循环，以检验在复位的过程中，主处理器是否恢复正常工作；当读取RTC时间不为系统待命时间，处理器开始检测当前电池所消耗的电量，用电池满电量减去所消耗的电量，得出系统剩余电量，当电池电量大于百分之五十时，系统正常工作，每两小时工作一次，每次工作三分钟；当电池电量小于百分之五十时，系统每四小时工作一次，每次工作三分钟，如图5所示为第一次处理器检测流程图。
确定工作时间后，进行第二次处理器状态检测如图6所示，主处理器再次尝试冗余发送六次识别码“YES”，若故障协处理器依然未收到识别码并在多次复位；若依然无法唤醒主处理器，则故障协处理器接替主处理器的主要工作，将次要传感器都予以关闭，并将主处理器状态位置为1；若主处理器工作正常，且故障协处理器上未连接其他载荷，则故障协处理器关闭；相反，若故障协处理器连接了其他各类载荷，则主处理器和故障协处理器开始一同等待接收传感器数据，完成对系统串口的数目以及种类的扩展，实现系统的多样化载荷功能。
主控模块所包含的两块微处理器工作状态确定后，将各载荷上电；若微处理器无法接收到某一载荷所采集到的数据，主控模块开始对相应载荷进行多次重复上电；如果依然无法解决问题，系统生成错误报告，将数据采集模块状态位置为1，关闭相应载荷电源，以防止不必要的能量浪费。
系统接收数据正常，系统开始执行数据采集任务，将传感器设为每三秒采集一次数据，共采集40次。将所采集到数据以当前采集数据时间为文件名生成数据日志存入SD卡中，便于日后读取。同时对所采集到的数据加以分析。当舱内温度或气压出现异常时，整个系统进行重启，若此操作无法解决系统内部温度气压变化时，将环境状态位置为1，并断掉系统电源，二十四小时后再次开启。当数据采集模块所采集的浮标外部海洋环境信息与正常采集数据有着明显变化时，可能存在三种情况：
1.所采集到的数据发生突变，此时将数据突变状态位置为1；
2.所采集到的数据出现缺失，此时将数据缺失状态位置为1；
3.所采集到的数据短时间内变化剧烈，说明可能遇见了极端自然环境状况，此时增大整个系统的采样频率以及采样时间，保证所采集到的数据更具有实用性和科学性。
系统目前搭载的外设载荷主要为水温传感器、波浪传感器、气压传感器；当水温探头所采集相邻两组水温之间平均值差大于3℃时，说明漂流浮标在海上运行的过程可能经过了寒流或暖流海域，此时将水温传感器的采样频率设为每秒采集一次数据，共采集120次；比较系统所搭载的气压传感器二十四小时内所采集到的数据，若气压峰值和气压谷值之间差值大于1KPa时，说明浮球可能遭遇了寒潮等极端自然天气，此时将气压传感器的采样频率设为每秒采集一次数据，共采集120次；当波浪仪采集到的波高大于1.2米时，说明系统遭遇了四级及以上海况，此时将波浪仪的采样频率设为每秒采集一次数据，共采集120次；通过对多元载荷采样频率的实时切换，保证所采集到的数据更具有实用性和科学性。
数据采集结束以后，关闭各载荷电源，开始进行数据传输相关工作，将北斗模块相应的电源开关打开，并向北斗模块发送检测命令检测北斗模块当前工作状态以及功率检测命令检测北斗模块卫星信号，若北斗模块信号和功能反馈信息均正常，使用北斗模块作为通信定位模块，相反，则将通信定位模块状态位置为1，使用铱星模块作为系统的通信定位模块。
通信定位模块选择完毕以后，开始获取当前漂流浮标所在地位置信息，信息采集完毕后，将位置信息、采集数据、错误报告打包发送给岸站上位机，上位机对所采集到的数据进行进一步分析处理，得出漂流浮标运动轨迹以及当前所在地海况；最后，通信定位模块断电，主处理器进入休眠状态，等待下一次上电指令的到来。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，包括：
电量监测模块，用于获取实时电源电量；
数据采集模块，用于采集浮标外部海洋环境信息；
通信定位模块，用于获取漂流浮标的位置信息；
主控模块，包括有主处理器和故障协处理器，通过主处理器向故障处理器发送识别码判断主处理器是否出现故障，当主处理器出现故障时，故障协处理器开始接替控制系统的主要工作，根据判断结果确定合适的处理器控制系统运行工作；
根据确定后的处理器获取系统所剩余电量，依据获取的系统剩余电量确定系统的工作频率，然后开始执行数据采集任务；将所采集到的数据与正常采集数据对比来实时切换数据采集的采样频率；在数据采集完成后开始获取浮标的位置信息，将所获取的位置信息和采集到的数据发送给岸站上位机进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，还包括：电源管理模块、存储模块，
所述电源管理模块用于对各个模块进行供电管理；
所述存储模块用于对所述数据采集模块采集到的数据进行存储。
3.根据权利要求2所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，
所述存储模块采用SD卡进行数据存储。
4.根据权利要求1所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，
所述电量监测模块采用LTC2944电量监测芯片，用于切换系统工作时间。
5.根据权利要求1所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，还包括环境监测模块，
所述环境监测模块包括MS5611气压传感器芯片和SHT21温湿度传感器芯片，用于实时监测当前浮球内部的气压和温度情况。
6.根据权利要求1所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，
所述通信定位模块包括北斗通信定位模块和铱星通信定位模块，用于获取漂流浮标的位置信息并发送给岸站工作人员。
7.根据权利要求6所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，
所述北斗通信定位模块用于通信终端进行通信定位，所述铱星通信定位模块用于北斗通信定位模块出现故障时接替其通信终端通信定位，并向岸站报告异常原因。
8.根据权利要求1所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，
所述故障协处理器连接有功能扩展模块，实现对系统功能的扩展。
9.根据权利要求1所述的一种双处理器海洋漂流浮标控制系统，其特征在于，还包括远程控制指令，实现岸站与漂流浮标之间的交互，所述远程控制指令优先级从高到低依次为系统复位及电源控制、工作时间改变、采样频率改变、存储数据读取、信号检测、系统自身自动执行指令。
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