《蒸发波导环境监测和诊断系统设计》
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摘 要： 为了实时获取海气分界层气象水文参数,计算修正折射率指数廓线从而现场评估蒸发波导对海上电磁波的传播影响,设计了蒸发波导环境监测与诊断系统.该系统基于ZigBee技术进行多传感器组网,可以测量不同高度层的温度、湿度、气压参数,采用自适应卡尔曼滤波算法解算测量终端姿态,通过计算快速获取蒸发波导高度、强度参数,具有实时性强、测量范围广等优势.实验结果表明,一般海况下该系统可以满足测量要求,为蒸发波导环境实时监测与诊断提供了新的硬件方法.
关键词： 蒸发波导; ZigBee; 自适应卡尔曼滤波算法; CC2530; 传感网络; 修正折射率; 气象数据采集
中图分类号： TN02?34 文献标识码： A文章编号： 1004?373X（2020）01?0153?04
Design of environment monitoring and diagnosis system for evaporative duct
XU Chen, WANG Xinpeng, WANG Guangjie, LIU Ning
Abstract： In order to obtain the meteorological and hydrological parameters of the air?sea boundary layer in real time and calculate the profile of modified refractivity index, so as to evaluate the influence of the evaporation duct on the electromagnetic we propagation on the spot, an environment monitoring and diagnosis system for the evaporation duct is designed. The system is based on ZigBee technology for multi?sensor networking, which can measure temperature, humidity and air pressure parameters at different altitudes. The adaptive Kalman filtering algorithm is adopted to calculate the measurement terminal posture, and the height and strength parameters of the evaporative duct are quickly acquired by calculation. Thus, the system has the advantages of high real?time performance and wide measurement range. The experimental results show that the system can meet the measurement requirements under normal sea conditions and provides a new hardware?based method for real?time monitoring and diagnosis of evaporation duct environment.
Keywords： evaporation duct; ZigBee; adaptive Kalman filtering algorithm; CC2530; sensor network; modified refractivity index; meteorological data collection
0 引 言
电磁波传播不需要介质,其在大气、高层空间的信息传输和探测中有着极其广泛的应用.海上雷达测距、卫星定位、无线通信过程都会受到蒸发波导的影响,所以研究近海面蒸发波导对电磁波传播的影响,无论对于理论研究还是工程实践来说都具有重要意义.蒸发波導是海上常见的自然现象,高度方向上的大气折射率梯度是蒸发波导产生与否的判断依据[1].
常用的折射率指数测量系统存在一些问题.例如,探空仪搭载传感器对大气的温度、湿度、压强分别进行测量后代入公式计算折射率指数,探空仪释放后无法回收且测量数据量小,其测量点定高精度差且不可控[2?4];通过电容式折射率仪测量折射率指数,测量精度高,但其测量仪器体积较大[5],无法实现多点同时测量,该方法适用于观测塔,但海上架设观测塔较为困难,陆地上观测数据应用到海上蒸发波导环境分析时具有一定的局限性[6?7];拉曼激光雷达可以遥测大气的温度、湿度从而计算折射率指数,但同样需要岸基或船基搭载,不能保证海气分界层真实状态,而且测量数据存在起始高度限制,无法保证其完整性[8].因此本文提出了蒸发波导环境参数监测与诊断系统,系统采用多传感器无线组网的方式实时测量不同高度层的气象参数,该方式可以保留海气分界层原始状态,给出较远海域的修正折射率指数廓线.
1 系统原理
1.1 系统组成及工作原理
测量系统由测量终端、主控单元、数传电台、浮标体及气象气球五部分组成,测量终端集成温、湿、压、姿态传感器及射频模块,测量大气参数后回传数据,测量得到的温湿压数据经过处理后可以直接代入折射率指数与大气温度、相对湿度、水汽压的半经验公式得到折射率指数,表达式如下：
[N等于DTP+EeT] （1）
式中：[T]为温度,单位为K;[P]为气压,单位为hPa;[e]为水汽压,单位为hPa;[D],[E]为实验常数,分别为77.6,4 810.浮标体搭载电池及部分配重,为主控单元及数传电台供电,并在海水中保持稳定的姿态,保证电台通信.气象气球提供稳定的升力保证测量终端分布在海表高度45 m范围内,监测系统组成如图1所示.
浮标体入水后系统开始工作,测量终端以一定的时间间隔采集温湿压数据、解算姿态,并将数据发送回主控单元（协调器）.主控单元在标体入水后打开ZigBee模块,与测量终端组网,回传数据并通过串口接收GPS数据更新测量位置信息,验证传感器数据完整性后将数据及位置信息通过数传电台发回船载或陆地接收电台[9],通过上位机软件实时解算修正折射率指数廓线.
1.2 基于自适应卡尔曼滤波的姿态解算算法
蒸发波导的关键参数是修正折射率指数的廓线形式及波导高度,测量点定高的绝对误差会影响波导高度,相对误差会影响修正折射率指数的廓线形式.因此基于自适应卡尔曼滤波的姿态解算算法是本测量系统中的关键算法,姿态角的解算精度直接影响定高精度.查阅资料,目前可行的测量终端定高有四种方法,如表1所示.
综合考虑定高精度及实际海上环境、测量终端重量限制等因素,最终采用傾角绳长结构解算的方法为测量终端定高.由于海上风速变化,测量终端不会一直处于稳定状态,运动加速度导致姿态快速解算无法测出准确倾角,因此采用自适应卡尔曼滤波算法对加速度计解算倾角及陀螺仪积分倾角进行数据融合,得到倾角的线性最优估计结果.针对姿态传感器输出量及观测量,建立如下滤波模型：
[xk等于Axk-1+Bwk-1yk等于Cxk+vk] （2）
式中：[A等于1dt01];[B等于0000];[C等于1001];[xk等于AkAgk],[Ak]为倾角,[Agk]为陀螺仪输出角速度;[wk-1]为2维系统噪声;[vk]为2维的量测噪声.
卡尔曼滤波可以抑制加速度和角速度的白噪声干扰,但是风速变化带来的加速度计输出量并非白噪声,这部分误差会严重影响姿态解算精度,因此自适应卡尔曼滤波采用的策略是给出一个符合正态分布的权值函数如式（3）所示：
[f（x）等于100e-M×（x-glocal）2] （3）
[R等于Qf（x）] （4）
式中：[Q]为量测噪声;[R]为系统噪声;[x]为测量出的加速度绝对值;[glocal]为当地重力加速度;[M]为置信度系数,本文采用的[M]值为2 763.1.
2 硬件设计
2.1 测量终端
测量终端选用TI公司的CC2530作为处理芯片,其电路搭载温湿传感器SHT15,气压传感器MS5534B,9轴姿态传感器MPU9150,倒F型PCB天线,射频电路功放RFX2401C,稳压芯片LM2937?3.3,构成完整的测量终端,测量终端使用的锂聚合物电池输出电压为4.2 V,不满足姿态、温湿传感器要求,需要稳压芯片LM2937?3.3,从而获得稳定、低噪声的3.3 V电压为传感器供电,测量终端主要芯片功耗如表2所示.
设定传感器每5 s回传一次数据,MPU9150进行姿态解算的时间为0.4 s,每5 s消耗的电量[Q]为：
[Q等于0.525 4 mAh] （5）
最大消耗电流为：
[Imax等于384.15 mA] （6）
采用600 mA[?]h的锂聚合物电池供电,其最大输出电流为0.5 A,可以满足测量终端需要,理论最长工作时间[T≈1 100 h],实际使用过程中测量终端连续工作6 h后电源负载能力下降,输出电压降低,传感器不能正常工作,回传数据失效.
现场测试发现,测量终端增重会导致整个测量链受风影响倾斜,严重时可导致部分终端落入水中;外接杆状天线与测量板成“L形”,易受风力影响导致姿态不稳;气象气球受光照、温度变化等因素影响变形导致净举力逐渐下降,因此在保证ZigBee通信距离的情况下采用经过阻抗匹配的“倒F型”板载PCB天线,既减轻终端重量又缩小体积,减少了气象气球的氦气消耗,提升气球净举力,延长系统在风速较大、日照严重等恶劣条件下的工作时间.
2.2 主控单元
主控单元选用TI公司的CC2530作为主控芯片,电路搭载定位芯片S?87 GPS,用于电平转换的MAX3232,射频电路功放RFX2401C,稳压芯片LM2937?3.3,其原理如图2所示.
主控单元添加入水开关,保证在投弃过程前系统不工作,延长海上测量时间.测量终端的板载PCB天线的增益不及外接杆状天线,为了保证稳定的数据通信,主控单元连接固定在浮标顶的高增益杆状天线,提高通信链路增益,部分测量终端添加路由功能,实现数据转发.
3 软件设计
3.1 基于Z?stack协议栈的系统软件设计
系统采用TI公司的Z?stack协议栈完成测量终端与主控单元的通信软件编写,测量终端和主控单元上电后首先要进行协议栈的初始化,通过Z?stack协议栈的操作系统对事件进行统一管理调度可以保证单片机稳定运行.
3.2 测量终端软件设计
测量终端上电后初始化协议栈,然后进行串口、I/O口、定时器、看门狗配置,等待主控单元组网,组网完成后采集温、湿、压、姿态传感器数据,进行姿态解算后将数据发送至主控单元,组网成功后,无论主控单元是否接收,测量终端都不会停止数据采集、发送过程,直到电量耗尽.CC2530采用I2C协议与传感器同步通信,由于姿态解算需要精确的采样时间间隔,因此MPU9150的数据采集过程使用片上定时器中断触发,解算完成后关闭定时器,避免中断程序影响协议栈数据发送,测量终端软件流程如图3所示.
3.3 主控单元软件设计
主控单元开启后首先初始化协议栈,等待测量终端入网,终端入网后主控单元更新网表信息,根据不同物理地址寻找新设备,同时将接收到的数据处理后由串口1发送至数传电台,通过串口0接收GPS数据更新位置信息.主控单元掉电后再次上电,设备不会重新组网,而是作为路由器入网,入网后继续完成数据接收验证任务,其工作流程如圖4所示.
4 系统测试及实测数据分析
4.1 通信距离测试
为了保证数据的稳定回传,需要确定测量终端与主控单元的最远通信距离,由于天线制作工艺、馈线损耗、环境噪声、空气中固态和液态颗粒物及地面的影响,ZigBee实测通信距离远小于理论值.在复杂的城市环境中测试其通信距离,如果可以满足要求,那么在环境相对单一且无遮挡的海气分界层也能达到同样的效果,不同天线稳定通信距离实测结果如表3所示.
采用10 dBi增益天线,接收信号强度为-94 dBm时,点对点通信距离达到24.5 m,实际使用中,3、7号测量终端添加路由功能负责信号的转发.验证ZigBee通信距离后对测量终端传感器进行标定,完成后将整个系统投放至待测海域中,测量现场如图5所示.
4.2 海上试验及数据分析
系统回传数据为原始数据,不能直接进行廓线拟合,数据中可能包含有明显偏差项、重复项及数据不全项,测量链上设置有两个具有转发功能的测量终端（路由器）,测量终端在空中的姿态不可控,可能导致主控单元分别与测量终端、路由器间的链路质量相同,这样的情况会导致数据的重复接收,重复数据会影响后续的曲线拟合过程,因此需要将这部分数据删除.完成该步后,针对传感器的测量数据对数据进行处理,删除含有异常值的数据,对数据块进行完整性验证,整合剩余数据,有效数据段应满足以下三个条件：
[950≤p≤1 040] （7）
[RH≥0] （8）
[T-Tmean≤5] （9）
温度均值限制是为了避免电池电压下降导致的测量温度偏差过大,经过参数检验后的数据需要验证其所属数据块的完整性,剩余完整数据块可以用来拟合气象参数廓线、计算修正折射率及分析预测模型中的普适函数.2018年7月2日下午2：00—3：00,平均风速为0.6 m/s,于山东威海附近海域使用本系统测量得到的温度、湿度、气压及计算出的修正折射率散点及拟合廓线如图6所示.
测量当日出现了蒸发波导现象,其高度为12.5 m,波导强度为20个单位.测量时长为1 h,测量数据RSSI最小值为-86 dBm,均值为-74 dBm,CC2530接收信号强度最低为-98 dBm,说明测量过程中主控单元与测量终端通信稳定.倾角定高结果与气压定高结果趋势基本吻合,湿度传感器的测量数据显示海气分界层的相对湿度在高度方向上呈非线性衰减状态,这主要是由于测量点距岸较近,广阔海域微风条件下相对湿度廓线呈现单调衰减的趋势.
5 结 语
本文提出蒸发波导环境监测与诊断系统的设计思路,详细介绍了系统原理、软件流程,并给出了系统软件和硬件的设计方案.通过实验验证了监测系统的可行性,最后选择近海作为实测场地对系统进行了外场测试.结果表明,该系统可以稳定测量海气分界层气象参数,与数据处理软件配合可以实时监测蒸发波导现象,具有工作稳定、实用性高、监测范围广等特点,且最大程度保留了海气分界层状态,可以为远海海气分界层理论研究及蒸发波导对海面电磁波传播影响研究提供数据支持.
参考文献
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作者简介：许 晨（1993—）,男,天津人,硕士研究生,主要从事海洋观测技术、嵌入式系统研究.
王心鹏（1983—）,男,天津人,硕士,工程师,主要研究方向为嵌入式系统设计.
王光杰（1987—）,男,河北人,硕士,工程师,主要研究领域为机械结构设计.
刘 宁（1977—）,男,河北人,博士,研究员,主要研究领域为海洋观测.
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