极区海冰影像自动监测系统的设计与试验

常晓敏 李文龙 刘大雷 刘文浩 左广宇 窦银科

(1 太原理工大学水利科学与工程学院,山西 太原 030024;2 太原理工大学电气与动力工程学院,山西 太原 030024)

0 引言

随着全球气候变暖,北极冰盖加速融化。海冰的融化使得极区航道的开通成为了可能,北极油气资源丰富,北极航道的开通对中国海运存在巨大的潜在价值[1-2],而海冰的存在是影响船舶在极区航行安全的主要因素[3-6]。船舶在冰区航行时,海冰与船舶之间的相互作用是一个复杂的动力过程[7-11],所以海冰冰情的监测对船舶航行有重要的意义[12]。

中国在北极考察时已经在北冰洋中心区布放了海冰物质平衡浮标(IMB)海冰物质平衡阵列浮标(SIMB 浮标)气象站上层海洋观测系统等超过20 枚,这些浮标经过长期的观测,已经获得了大量的气象数据,并且部分数据已经得到了实际应用[13-15]。但浮标所采集的数据量有限且比较单一。目前对北极航道的冰情变化的研究较少,虽然卫星遥感飞机航拍等技术已成为目前大尺度海冰监测的主要手段,但是这些方法存在采集图像的分辨率不高监测周期过长以及受气候变化限制等问题[16-17]。在北极海冰快速变化下,自动观测浮标的有效运行时间相应下降,但是对浮标运行形态的图像监测技术鲜有报道,浮标可能会因海冰的破碎融化冰雪的覆盖以及野生动物的破坏导致传感器获取的数据不正常。针对北极海冰的影像监测存在较大挑战。国外研究人员曾在北冰洋高纬度海区布放了SIMBA 浮标和Webcam系统,首次观测到海冰融池的演化与假冰底的形成过程,Webcam 获取了部分海冰表面形态变化的图像[18]。我国历次北极科学考察中在长期短期冰站开展海冰现场观测工作,涉及多种海冰形态,但是尚未实现对海冰表面形态的可视化监测[19-22]。在国家重点研发计划支持下所设计并布放的北极气-冰-海无人观测站(无人冰站)可实现大气海冰海洋的多参数同步观测,但是针对其运行状态的可视化监测尚未开展,仅从原始数据判断无人冰站的运行状态,往往会造成误判,影响数据的后续使用,例如传感器表面覆盖冰雪导致数据失真或标体倾斜使传感器浸入水中。因此,研发海冰影像自动监测系统具有重要意义。

针对以上问题,本文提出了极区海冰影像自动监测系统,该系统能够适应极区恶劣的环境,并且能够实现对海冰形态与浮标运行状态的长期自动实时监测。极区海冰影像自动监测系统使用的主控制器是MSP430 微控制器,集成了独立外设的时钟芯片系统状态监视模块1-wire数字温度传感器及串口摄像头等,实现了长期低温下北极海冰图像的采集,设计了基于铱星的通讯模块,实现了将图像数据等经铱星传输到国内监控平台的过程。整个系统由太阳能发电板在有光照时利用光能供电,蓄电池储存多余电能在无光时供电。北极现场试验结果表明系统工作稳定,可在北极极端环境下正常运行,图像采集及大数据量远程传输性能可靠,可以实现海冰形态与浮标运行状态的自动可视化监测。

1 极区海冰影像自动监测系统的总体设计

极区海冰影像自动监测系统的整体结构如图1所示,系统包括电池供电模块图像数据采集模块数据传输模块以及温度控制模块。太阳能发电板提供整个系统所需的电能,多余的电能储存至蓄电池以备用。该供电模式考虑了极区极昼和极夜的极端环境,对蓄电池与太阳能板进行抗低温处理,可以实现极区低温环境下化学能的大量储存。图像数据采集模块主要采用串口摄像头,使用串口指令模式控制摄像头采集图像并将图像数据传送至控制器,以时间命名的方式将图像保存在 TF 卡中[23]。DS18B20 温度传感器和电热丝为温度控制模块,电热丝在串口摄像头温度不够时进行加热使其达到能够清晰采集图像的温度。数据传输是通过铱星9523 模块实现的,系统采集到数据后通过铱星9523 将数据发送给卫星,然后卫星将数据中转至指定的IP 地址或者邮箱[24-26]。整个系统在没有指令时为低功耗状态,在接收到中断唤醒时重新供电进入工作状态。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

监测系统所选用的微控制器为MSP430F5438A。MSP430 系列嵌入式微控制器有多种低功耗模式,正常待机时耗电流低至 0.8 μA,工作温度为-40～85 ℃,满足极区环境温度要求。MSP430 F5438A 微控制器在关闭模式LPM4(RAM 数据保持,可快速唤醒)时电流为1.69 μA,并且在关闭模式LPM4.5 下电流仅为0.1 μA[27-29],可以降低系统在极区工作时的功耗。可以外接8 MHz 和32.768 kHz 晶振,芯片经内部锁相环电路倍频后最高主频可达24 MHz。MSP430F5438A 具有丰富I/O 接口和串口资源,4 路串行通信接口8 路串行外设(SPI)接口和4 个内部集成电路(I2C)总线,可以挂载大量传感器。本系统在以单片机为核心控制器的基础上外围扩展了温度传感器串口摄像头通讯模块等外设。控制板结构图如图2所示。

图2 系统硬件电路结构Fig.2.System hardware structure

2.2 铱星9523 数据传输模块

铱星系统的极地轨道可以实现南北极远程实时通信功能[30]。铱星9523 性能稳定可靠,通过铱星天线将数据传输到国内。铱星模块外围电路如图3所示。

图3 铱星模块外围电路图Fig.3.Iridium module peripheral circuit diagram

提供的与微控制器的接口为9 线TTL 电平串口通信,通过电路设计使其转换为3 线串口通信,直接与微控制器串口相连。微控制器与铱星模块进行数据传输传输模式选择信号查询等信息交流是通过AT 指令来实现的。铱星SIM 卡与铱星9523 连接需要通过TXS4555 电平转换来实现。系统供电电源为12 V,为满足铱星9523 通讯模块需要5 V 和30 V 电源供电的要求,选用了LM2596-5.0 和CS5173 进行DC-DC 电压变化分别产生5 V 和30 V 电压。海冰图像数据与浮标运行状态图像通过铱星 9523 数据拨号(Dial-up data service)业务实现[31]。铱星数据拨号具有实时性高速率全双工连续传输以及数据量大等特点。

2.3 辅助电路设计

SD2200 是实时时钟芯片。内置时钟调整功能,精度高误差小;低功耗,在温度25℃电压为3.0 V 时典型电流值为0.25 μA;内置电池寿命较长且工作温度范围较广,可在极区环境下长期稳定工作。系统使用该芯片的分钟边沿中断功能。实时时钟电路如图4所示。

图4 实时时钟电路图Fig.4.Real-time clock circuit diagram

SP706 是一种复位监控芯片,功耗低可靠性高,符合系统硬件选型要求。可在系统运行出现故障时强制对单片机进行硬件复位,避免程序进入停滞状态。SP706 应用电路图如图5所示。

图5 SP706 应用电路图Fig.5.Application circuit diagram of SP706

2.4 各类传感器选型

海冰影像自动监测系统运行地点在极区,现场环境复杂恶劣,在长期运行过程中容易受到极夜低温风雪等气候条件的影响,所以在传感器的选择中需要考虑到以下几个方面。

1.耐低温:极区环境温度一般不超过 0 ℃,所以在选择传感器时要选择耐低温至少-40℃的传感器。

2.低功耗:极区电能稀缺,并且在低温条件下电池的放电性能和电池容量都会受到影响,因此需要选择低功耗的传感器,实现系统长期监测。

3.性能稳定:海冰影像自动监测系统将会在无人值守的极区环境中运行,系统一旦出现问题,将会无法维修,所以选择的传感器应该性能稳定可靠,确保不出问题,实现长时间的现场监测。

DS18B20 是一种数字温度传感器。测温范围为-55～125 ℃,测量精度高,能在低温环境中精准测出摄像头的温度;工作电压为3～5.5 V 且待机电流仅为0.75 μA,所需功耗低;体积小抗干扰能力强等特点使其能够长期稳定地工作运行。

系统选择的串口摄像头带有红外照明功能,少光或无光时可实现自动照度补充完成图像采集。同时其采用的芯片和器件,在保证性能的同时兼顾低功耗,完全满足了极区低温恶劣环境的需要。

3 系统软件设计

3.1 图像采集程序设计

图像采集程序主要实现的是中断唤醒及图像采集策略串口摄像头温度控制策略数据传输策略。

程序有以下流程:(1)系统开始后进入休眠状态;(2)时钟模块SD2200 的分钟中断发出唤醒信号,使其系统进入工作状态;(3)读取系统时间并判断是否达到拍照时间;(4)温度传感器以及加热丝保持串口摄像头温度在拍照范围内然后进行图像的采集;(5)铱星信号大于3 时发送数据包。程序流程图如图6所示。

图6 图像采集流程图Fig.6.Flow chart of main program

串口摄像头能够采集清晰图像的温度要求是不低于-20 ℃,首先判断摄像头温度是否达到要求,如果温度没有达到,就利用电热丝对其进行加热。在温度达到要求时进行拍照然后判断图像是否符合要求,不符合即进行二次加热,最后通过铱星传输模块将数据发给卫星。图像拍摄由摄像头完成,可以通过远程控制指令灵活地选择所需的图片分辨率。图像格式默认为JPEG,可扩展为BMPTIFPNG 等其他格式,图片像素也有多种可选。IRIDIUM9523 模块的SBD 功能,一次可以发送的最大数据包为1920 Byte,不能一次性完成图像的传输。而IRIDIUM9523 的数据拨号传输的数据量不受限制,可以一次性传输完成。根据传输数据量的大小灵活选择使用SBD 或数据拨号。

3.2 数据传输策略

极区海冰自动监测系统需要安装在无人值守的极区,安装后无法维护以及更新程序,因此编写了远程数据传输控制程序。海冰自动监测系统的远程控制流程图如图7所示。远程控制指令的数据包有两种传输方式,分别为邮箱传输和直接IP 传输。把需要发送的数据打包好之后,通过邮箱或IP 发送至铱星服务器,并且指定发送到的终端铱星号,当IRIDIUM9523 终端进行数据读取时,服务器自动把数据发送给终端,并产生成功标志,确保数据不会丢失。当向同一个铱星模块发送多条数据包时,模块只能一一读取,此时的数据包就在铱星的网关进行排队等待读取,IRIDIUM9523终端通过SBD 的读取方式一次读取一条数据包后,铱星网关中的排队数量就减少一个,每次读取都优先读取排队的序号靠前的数据包,读到数据包后进行数据分析,每读完一个数据包就执行相应的指令。

图7 远程控制流程图Fig.7.Flow chart of remote control

远程指令控制表指令较多,并可根据实际需要灵活增加。表1 所列仅为其中几条,并对这几条的具体功能等加以详细介绍。如接收到指令No.0 和 No.1 后,立即读取系统电压温度数据等程序,完成图像的采集并传回。指令No.2 为设置系统图像采集时间,到达系统设置的时间就进行拍照。指令No.3 为设置系统拍照时间间隔,如需要每隔1 天,拍一张照,此处就设置为1。指令No.4 为设置读取每两条控制指令之间的时间。指令No.5 是为了防止温度传感器无法正常获取温度而不能控制好温度,此处就设置了强制加热时间,不再使用温度反馈的闭环控制。

表1 指令信息Table 1.Instruction information

4 北极现场应用

4.1 中国第九次北极科学考察中的应用分析

2018年8月19日,北极无人冰站在长期冰站开始布放,并按照考察计划在北冰洋中心区开展现场观测。初始布放位置为 84.09686°N,167.13394°W,布放后所有观测系统控制系统和通讯模块均能正常工作,现场采集了大量观测数据。北极无人冰站铱星通讯上下行数据均通过邮件传送,数据传输的频率为1 次/小时。北极无人冰站系统已成功传输超过12 个月的有效观测数据回到国内。海冰影像监测系统布放于无人冰站附近,用于检验低温摄像头铱星传输模块主控制器等的适用性,搭载的摄像头所获取的图像分辨率可通过远程指令进行调整,典型值为320×240。目前所有图像数据均通过自主研发的海冰影像监测平台获取和存储,可对外提供图像数据,后续研发数据库并逐渐实现全部数据的开放与共享。海冰影像自动监测系统与无人冰站一起布放在同一海冰上,实现对海冰形态与设备运行状态的实时图像监测。海冰影像自动监测系统拍摄到第九次北极科学考察中北极无人冰站布放时的作业情况,如图8所示。

图8 第九次北极科学考察中无人冰站布放时的作业情况Fig.8.Photo of deployment of unmanned ice station in the ninth CHINARE

北极无人冰站布放后正常工作,海冰影像自动监测系统在2018年8月21日7 时与21 时获取无人冰站运行状态,分别如图9 和图10所示。

图9 第九次北极科学考察中无人冰站在2018年8月21日7 时的运行状态Fig.9.Photo of unmanned ice station at 7:00 on August 21,2018 in the ninth CHINARE

图10 第九次北极科学考察中无人冰站在2018年8月21日21 时的运行状态Fig.10.Photo of unmanned ice station at 21:00 on August 21,2018 in the ninth CHINARE

从图9 可以看出,2018年8月21日7 时,无人冰站运行状态正常,该时刻天气较阴,光照强度较弱,冰面尚未出现融池等现象;从图10 可以看出,该时刻天气较好,可观察到明显太阳光照射。结果表明海冰影像自动监测系统可以提供海冰及设备运行状态的实时信息,实时信息包括浮标周围的海冰是否有破碎,隆起以及融池等现象,浮标是否发生姿态的变化,所搭载的温湿度大气压积雪传感器温度链铱星GPS 等传感器是否被冰雪覆盖。

4.2 中国第十一次北极科学考察中的应用分析

在中国第十一次北极考察[32]中,布放了一套无人冰站观测系统,该系统基于之前中国第九次北极科学考察中海冰影像自动监测系统的应用经验进行了优化与改进,包括图像的分辨率传输间隔时间,也进行了摄像头的优化升级,优化了加热模块,提高了摄像头的抗雾性能,并对摄像头云台进行了结构优化,能够进行 360°全方位的监测,更好地完成海冰形态等参数的观测,有效评估无人冰站的运行状态。在第十一次北极考察长期冰站的无人冰站布放位置旁布放了一套海冰影像自动监测系统,如图 11a所示。截止2020年11月,无人冰站与海冰影像自动监测系统工作正常,按照程序设定向国内传输无人冰站所在海冰及其状态的照片。图11b所示为2020年8月31日海冰影像自动监测系统所获取的图像信息,在该图片上可以较为清晰地观察到雪地上新增的北极熊脚印,表明在前一日该海冰上出现北极熊,且无人冰站系统并未受损,冰上也尚未出现融池现象,因此无人冰站的观测工作也将顺利进行。

图11 海冰影像自动监测系统和无人冰站图像Fig.11.The automatic sea ice image monitoring system and photo of the unmanned ice station

5 结论

1.极区海冰影像自动监测系统能够通过获取图像数据实现对海冰冰情以及浮标运行状态的长期连续监测。带有加热丝的串口摄像头能够在低温环境下正常采集图像,并且具有低功耗工作稳定可靠等特点,满足极区恶劣环境下工作的需求,为观测海冰生长和消融过程及其对冰基浮标运行状态的影响提供直观数据支撑。

2.大数据量图像远程传输技术是极区海冰影像自动监测系统设计的关键技术。基于铱星9523 数据传输模块,开发了外围电路以及相应的图像采集程序与数据传输策略,并在中国第九次北极科学考察与第十一次北极科学考察中得到应用,能够实现极地图像数据的传输,解决了极地地区图像数据传输的问题。系统具有远程数据传输的功能,也可在极区冰川苔原等冰雪环境监测中发挥作用,例如对于冰川也可以起到一定的监测作用[33]。

3.极区海冰影像自动监测系统使极地设备运行状态以及海冰监测实现可视化,能够为今后船舶的航行以及科研工作提供宝贵的图像数据,保证船舶航行的安全并且可以更方便地发现问题解决问题。当海冰发生融化后,通过浮标运行状态的可视化监测,可以人工关断某些科学载荷的数据传输,保证其余传感器持续工作,继续获取科学数据,节省数据传输的通信费用,增加海冰浮标的工作寿命,对研究海冰的生长和消融有重大的意义。