基于无线网桥的水下光合有效辐射远程测试系统*

宋婷婷，罗瑞龙，2

（1.上海深渊科学工程技术研究中心，上海 201306；2.上海海洋大学 深渊技术与科学研究中心，上海 201306）

基于无线网桥的水下光合有效辐射远程测试系统*

宋婷婷1，罗瑞龙1，2

（1.上海深渊科学工程技术研究中心，上海 201306；2.上海海洋大学 深渊技术与科学研究中心，上海 201306）

基于LabVIEW虚拟仪器软件平台开发了远程测试系统，应用于光合有效辐射等水下参数的数据采集和测试现场的远程监测。系统采用低成本无线网桥，可实现 3～5 km的稳定数据传输，16位 A/D多通道数据采集，采样频率最高250 kHz，同时控制步进电机的转速和方向，实现传感器在水下的升降。实际测试表明，系统具有成本低、可靠性高、安全性好的特点，为水下参数的远程数据采集和传输提出了一种实用方法。

无线网桥；LabVIEW；水下光合有效辐射；远程测试

0 引言

水生绿色植物的生长依赖光合有效辐射（Photosynthetically Available Radiation，PAR）[1]。 通过获知水体内PAR的分布情况，能够为水体生态系统的保护和恢复提供技术和数据支撑。目前广泛应用的水下PAR测量方法有遥感模型估算法和实地测试法。遥感模型估算法主要应用于海洋辐射分布计算，但多数模型是对大气辐射传输模型的简化，误差较大，且需要地面实测数据的校正[2]。实地测试法是由试验人员手动或船上绞车自动将传感器投放至水下，测量不同深度水体的 PAR值[3]。实测法所得数据比较准确，但受到人员、设备及船舶等的阴影效应，使得有效测试时间短（正午前后），测试成本较高，操作安全性也需注意，因此有必要开发一套易于操作的水下光合有效辐射远程测试系统。该系统综合了现代传感器技术、信号处理技术和无线网桥传输技术，实现了水下光合有效辐射和其他水质参数的自动测量、显示及存储，在降低试验成本的同时增加了水面试验的安全性。

1 系统原理

基于无线网桥传输的水下光合有效辐射远程测试系统主要由数据采集、升降机构和无线收发3部分组成，其中数据采集卡是系统的核心组件。为了便于水面测试，将由数据采集卡、步进电机及驱动器等组成的测控箱经良好密封后固定在浮体上，并锚定或系泊在测试点附近。传感器借助一个刚性支架延伸至测试点水面上方，由步进电机驱动的绞车控制其下降或上升，从而获得不同深度的PAR数据。PAR传感器信号比较微弱，需经外置信号调理模块放大，再输入到多通道数据采集卡。无线网桥将测试现场的实时数据传输到远端的监控计算机，同时将计算机发出的控制指令传递给数据采集卡，以控制步进电机的转速和方向。

2 水下光合有效辐射远程测试系统的硬件组成

测试系统的硬件组成如图1所示，其中升降机构由步进电机、驱动器及绕缆卷筒组成。数据采集卡、传感器和无线网桥接入点(Access Point，AP)等小功率设备由同一块12 VDC锂电池供电，可持续不间断测试7天；升降机构由4块12 VDC铅酸蓄电池串联供电，可维持电机不间断工作 20 h。在测控箱上设计有专用充电接口，为上述蓄电池进行外部充电。稳定的电源供电，使得系统可在水面上长时间工作，也为将来加装太阳能电池板提供了升级空间。

图1 水下光合有效辐射远程测试系统硬件图

2.1 传感器

该系统目前安装有3类4个水下传感器，分别是下行/上行PAR传感器、浊度计及深度计。系统仍有相当多的冗余通道可用于安装其他类型水下传感器。

PAR传感器选用美国LI-COR公司生产的LI-192SA型光量子传感器(Φ31.8×46.2mm)，其探头精度高，完全校准为美国国家标准与技术研究所标准的±5%；线性度最大偏差仅为1%；稳定性为一年内变化小于±2%；反应时间为10 μs；温度依赖最大为±0.15%/℃；经余弦修正，45°仰角内全周方位角误差小于±1%；测试水深最大为560 m。2个LI-192SA型传感器分别用于测试太阳光入水后折射形成的下行辐射和经下层水体反射形成的上行辐射。

浊度计选用英国CTG公司生产的UniLux单参数荧光计（Φ26.5×105mm），其动态测量范围为 0～200 FTU；测试精度小于 0.04 FTU；采样频率为1～3 Hz；模拟输出电压为0～5 V；测试水深最大为600 m。

深度计选用国产 PTJ301型投入式水位传感器，100 m量程内的综合精度为 0.2%FS；模拟输出电压为0～5 V；长期稳定性为每年 0.1%FS；在机械振动频率为20～1 000 Hz范围内，其输出变化小于0.1%FS。

传感器固定安装于铝合金支架，并随之吊放至水下，扁平的布放结构可减少垂直方向横截面积，降低水阻力，有效减小支架阴影产生的测量误差。

2.2 数据采集卡

该系统选用国产EM-9636BD型多功能 16 bit数据采集卡，误差小于 0.02%；数据接口为 10/100 M以太网接口，支持TCP/IP协议；缓冲区为 8 Mbit，主动上传，自动重发；采样频率最大为250 kHz；可选多种模拟信号(A/D)输入范围，本系统为0～5 V；A/D通道为单端 32路/双端16路；D/A通道为4路；支持3路脉宽调制输出（Pulse-Width Modulation，PWM）；DI/DO通道为16路；工作温度范围为-20℃～70℃。

2.3 升降机构

系统中步进电机用于吊放/回收传感器及其支架，步进电机的控制电流由驱动器提供，通过柔性联轴器与绕缆卷筒联接构成小型绞车，控制电机的旋转方向和转速即实现传感器在水中升降及速度调节。其中，电机选用国产86型两相混合式步进电机，技术指标及要求：防水等级为IP68；保持力矩为2.8 N·m；步距角为1.8°。步进电机有3种控制信号，包括启停信号、方向信号及速度脉冲信号，分别由数据采集卡的DO通道和PWM通道输出。传感器升降的速度可按照下式计算得到：

式中：v为升降速度，θ为步进电机步距角，f为 PWM脉冲频率，D为绕缆卷筒直径，n为绕缆圈数（0，1，2，3…），d为绕缆直径。

2.4 无线网桥传输

传感器信号经金属导线进行远距离传输，不可避免地受到电磁干扰和信号衰减的影响，且电缆成本较高，而水上架缆和维护更为困难。无线网桥传输技术是解决上述问题的理想方案，它可将相距数百米至数十千米不等的两个或多个独立的无线局域网段与有线局域网段进行物理介质层(Media Access Control，MAC层)互联。无线网桥的工作方式有3种，分别是点对点、点对多点及中继连接，支持 802.11b/g/n(2.4 GHz频段)协议和 802.11a (5.8 GHz频段)协议，传输速率理论上高达 300 Mb/s，可以满足视频级无线传输需求[4]。进行水面测试时，无线网桥比传统的有线网络连接方式更具优势，主要体现在以下几个方面：

(1)无线网桥适用于室外条件，且江河湖海等水体表面无高大的障碍物，可获得最佳的数据传输效果；

(2)无线网桥在覆盖范围内抗干扰能力强，基本没有信号衰减，数据传输的可靠性高；

(3)配合全向天线组成无线接入点，监控点可以自由选择位于船上或岸上，无需考虑水上测试平台的朝向；

(4)网络配置时间短，配对成功后上电即可自动识别连接，且出现故障时只需维护两端无线网桥设备即可，能快速解决问题。

本系统选用国产AOK-2412型无线网桥及2根16 dBi全向天线作为无线接入点AP，选用AOK-2415型无线网桥作为站(Station)，工作频段为2.4 GHz，设置为点对点收发模式，信道带宽为40 MHz，覆盖范围为3～5 km。为避免周边同频率无线设备的干扰，可适当选择或更改信道。AP端的供电由前述12 VDC锂电池提供，数据通过网线与数据采集卡相连；Station端的供电由 24 VDC/ POE（Power Over Ethernet，以太网供电）模块提供，数据接入计算机RJ45接口，如图2所示。

图2 无线网桥传输系统结构图

3 水下光合有效辐射远程测试系统的软件设计

系统软件基于LabVIEW平台和Modbus/TCP协议进行开发。

3.1 Modbus/TCP协议

Modbus/TCP协议是开放的工业网络通信协议，采用客户机/服务器(C/S)模式进行报文传输，该模式下包括4种基本类型报文，分别是“请求”、“指示”、“响应”和“证实”。客户机首先发送启动事务处理的请求，服务端接收到该指示后发出响应，执行动作，客户机接收到响应后给出证实。

与一般的 Modbus协议不同，Modbus/TCP使用了一种专用报文头识别 Modbus应用数据单元，即 MBAP（Modbus Application Protocol）报文头[5]。MBAP报文头占用 7个字节，分为 4个域：事务元标识符(2 bit，识别待处理事务)、协议标识符(2 bit，取 0)、长度(2 bit，标识之后的字节数)和单元标识符(1 bit，识别串行链路或其他总线上的远程从站)。MBAP报文头之后是功能码和数据段，功能码用于区别该指令要执行的动作，数据段包括起始地址和输入/输出值。TCP/IP协议可保证数据包正确传递，因此 Modbus/TCP协议帧没有校验域。举例说明，需要读取数据采集卡A/D通道1的数据，生产厂家定制该命令的功能码为0x03，A/D通道1的寄存器地址为0x100，则该动作的请求和应答指令如图3所示。其中，0x8000为响应后的A/D通道1数据值。

图3 Modbus/TCP上的请求/响应举例

3.2 LabVIEW软件实现

利用LabVIEW平台的TCP基础函数库，如“TCP open connection.vi”、“TCP close connection.vi”、“TCP write.vi”和“TCP read.vi”等子vi，即可实现本系统的Modbus/TCP通信。设置命令端口为8000，数据端口为8001，数据采集卡的IP地址为192.168.1.26，计算机的IP设为192.168.1.*，即除数据采集卡占用IP外的其他任意地址。将数据采集卡和计算机的网关和子网掩码都设置为 192.168.1.1和255.255.255.0。

该远程测试系统软件的主体结构是采用3个并行的while循环作为框架，结合多个事件结构进行系统的控制，主要包括数据采集、信号处理、数据存储、网络通信、参数设置及电机控制等6个主要模块。

软件的运行流程是，首先进行网络参数的配置并打开TCP连接，设置数据采集的参数后即可开始采集数据。进入电机控制界面，启动电机并以设定的转速和方向动作。数据采集开始后，可随时保存数据至计算机内，数据采集结束后，即可停止电机并关闭TCP连接。

4 结束语

本文以虚拟仪器开发软件LabVIEW为平台，应用现代传感器技术、信号处理技术和Modbus/TCP通信技术搭建了一套无线远程测试系统。通过实际测试，本系统能够很好地实现光合有效辐射等水下参数的实时采集、显示和存储，能够控制传感器在水中的升降。采用无线网桥的无线传输能力取代传统的有线连接，降低了系统搭建成本，同时使得水上测试不再受环境、空间和距离的限制，进一步提高了安全性。

[1]GALLO K P，DAUGHTRY C S T，BAUER M E.Spectral estimation of absorbed photosynthetically active radiation in corn canopies[J].Remote Sensing of Environment，1985，17 (85)：221-232.

[2]董泰锋，蒙继华，吴炳方，等.光合有效辐射(PAR)估算的研究进展[J].地理科学进展，2011，30(9)：1125-1134.

[3]张运林，秦伯强.太湖地区光合有效辐射(PAR)的基本特征及其气候学计算[J].太阳能学报，2002，23(1)：118-123.

[4]曹恒，梅凯，姜崇，等.基于无线网桥的远程数据采集实时状态监测系统[J].仪表技术与传感器，2010(6)：44-47.

[5]GB/T 19582.3-2008.基于Modbus协议的工业自动化网络规范第 3部分：Modbus协议在TCP/IP上的实现指南[S]. 2008.

Remote data acquisition system for water photosynthetically available radiation based on wireless bridge

Song Tingting1，Luo Ruilong1，2
(1.Shanghai Engineering Research Center of Hadal Scicence and Technology，Shanghai 201306，China；2.Hadal Science and Technology Research Center，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

A new remote data acquisition(DAQ)system for underwater photosynthetically available radiation measurement and remote monitor is described in this paper.The system was developed with LabVIEW platform.The high definition EM-9636BD DAQ card was used to collect multiple water parameters with acquisition rate up to 250 kHz and control the sensors′vertical speed with a step motor,simultaneously.The system adopted a pair of wireless bridge with low price which can transmit data to the computer monitor 3 to 5 km away.The test results show the system has a high reliability and good safety performance.

wireless bridge；LabVIEW；photosynthetically available radiation；remote data acquisition

TP206.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.023

宋婷婷，罗瑞龙.基于无线网桥的水下光合有效辐射远程测试系统[J].电子技术应用，2016，42(3)：81-83.

英文引用格式：Song Tingting，Luo Ruilong.Remote data acquisition system for water photosynthetically available radiation based on wireless bridge[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：81-83.

2015-11-11）

宋婷婷（1988-），女，硕士研究生，主要研究方向：水下测试技术。

上海市青年教师培养资助计划（A1-2035-15-0021-30）；上海海洋大学博士启动基金（2013）；上海海洋大学科技发展专项基金（A2-0209-14-200065）

罗瑞龙（1986-），通信作者，男，博士，讲师，主要研究方向：计算机控制技术、机电液一体化技术，E-mail：rlluo@ shou.edu.cn。