智能型通用水下自救釋放系統(tǒng)

摘要：為了保障海洋探測設(shè)備的順利回收，盡可能減少人員或財產(chǎn)的損失，利用GPS和GSM網(wǎng)絡(luò)模塊以及防水電磁鐵等相關(guān)器件，設(shè)計了一種智能且通用的水下自救釋放系統(tǒng)。旨在水下設(shè)備遇到危險時，自救釋放器釋放自救浮標(biāo)，用于告警和定位水下設(shè)備，使其安全回收，也可用于水下工作人員或其他水下目標(biāo)的水面定位。
關(guān)鍵詞：自救釋放器；自救浮標(biāo)；GPS；GSM／GPRS；AUV

0 引言
用于水下探測的設(shè)備品種繁多且價格昂貴，在海上實驗時如何保障這些設(shè)備的順利回收，盡可能減少損失，成為人們關(guān)注的焦點之一。目前的常用方法是為水下設(shè)備定制一套自救系統(tǒng)以保證其安全，但是這種方法一方面增加了設(shè)備的成本和研發(fā)周期，另一方面是其自救部分不具有通用性，應(yīng)用范圍受到很大限制。甚至許多水下探測設(shè)備沒有自救裝置，主要是依靠工作人員的保障措施，如固定設(shè)備或加系纜繩等。
本文旨在設(shè)計一種高可靠性，低成本且通用的水下自救釋放器及與其配套的自救浮標(biāo)，可以用于定位水下設(shè)備，保障其安全回收。

1 系統(tǒng)總體方案
該系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。其結(jié)構(gòu)主要包括自救浮標(biāo)、釋放機(jī)構(gòu)和控制艙3部分。自救浮標(biāo)在備出現(xiàn)危險時被釋放以通知岸上人員回收設(shè)備，釋放機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)自救浮標(biāo)的釋放，而控制艙則是采集設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行決策控制的核心。

自救浮標(biāo)中裝有GPS模塊、GSM／GPRS模塊；釋放機(jī)構(gòu)主要部件是防水電磁鐵，并以機(jī)械儲能的方式釋放浮標(biāo)；控制艙內(nèi)主要是以sPIC30F 4011單片機(jī)為處理核心的控制板，完成浮標(biāo)釋放命令的執(zhí)行、參數(shù)配置命令的處理以及外部設(shè)備電源電壓、工作溫度、深度的采集等任務(wù)。艙內(nèi)還有電源管理模塊以實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和蓄電池的充放電管理等。
該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

命令接收及數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)接收外部命令和采集外部設(shè)備的工作參數(shù)。數(shù)據(jù)處理及判斷模塊是數(shù)據(jù)處理的核心，它根據(jù)命令接收及數(shù)據(jù)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施，如通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)，用LED顯示外部設(shè)備的工作狀態(tài)和釋放自救浮標(biāo)等。電源管理模塊為控制艙電路板提供穩(wěn)定的電源、管理蓄電池的充放電。

2 控制艙設(shè)計
控制艙核心處理器采用dsPIC30F4011單片機(jī)并嵌入實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，用來完成參數(shù)采集、通信、數(shù)據(jù)判斷以及釋放浮標(biāo)等任務(wù)的執(zhí)行與調(diào)度?？刂婆撏獠坑?種接口：串口接口、A／D輸入接口、充電接口、聲學(xué)釋放命令擴(kuò)展接口以及應(yīng)急釋放按鈕(見圖1)。在使用時，需先通過串口以一定協(xié)議格式對釋放器監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行配置(如設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)危險上限值等)，此時需要上位機(jī)軟件，其中上位機(jī)與單片機(jī)以串口的形式進(jìn)行通信。出現(xiàn)危險時可通過串口向釋放器發(fā)送釋放浮標(biāo)指令或釋放器自身通過A／D輸入接口監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)而判斷釋放浮標(biāo)。聲學(xué)釋放命令擴(kuò)展接口用于接收岸上人員發(fā)送的聲學(xué)釋放浮標(biāo)命令，該接口為擴(kuò)展接口。應(yīng)急釋放按鈕用于水下作業(yè)人員通過按鈕釋放浮標(biāo)。此外艙外還有LED燈，用于顯示數(shù)據(jù)和外部設(shè)備的工作狀態(tài)。艙內(nèi)配有LCD顯示屏，供開發(fā)調(diào)試使用。
在數(shù)據(jù)參數(shù)閾值判斷方面，由于水下探測設(shè)備一般都會自帶有溫濕度傳感器等裝置，水下探測設(shè)備控制中心只需要通過串口將自身的各種特征值(如溫度、濕度、深度、設(shè)備電壓電流等)傳給自救系統(tǒng)控制即可。之后，控制艙將實時監(jiān)測這些數(shù)據(jù)的變化，一旦某一項數(shù)據(jù)超過危險值上限，控制艙驅(qū)動釋放器釋放自救浮標(biāo)，從而通知岸上人員對設(shè)備進(jìn)行及時回收。