Уровень
Время
Рис. 6. Моделирование Японского цунами 11 марта 2011 г. Совмещенные записи уровня моря по данным наблюдения (кривая 2) и моделирования (кривая 1) на глубоководной станции DART 21418
проект создания морской информационной инфраструктуры, которая является необходимым условием эффективной производственной деятельности на море и обеспечения безопасности жизнедеятельности в прибрежной зоне.
Разработан проект создания мультистатической системы освещения морской обстановки на основе многоэлементных цифровых звукопрозрачных гидроакустических антенн. Разработана конструкторская документация, изготовлен и испытан в морских условиях опытный образец базового приборного модуля цикли-
рующего типа с радиоканалом для проведения гидрофизических и гидрохимических измерений на программируемых горизонтах для глубин моря до 200 м.
Создана аппаратура и проводятся экспериментальные исследования по поиску сейсмоакустических предвестников землетрясений (рис. 5).
Проводятся исследования по моделированию волн цунами в дальневосточных морях России с использованием разработанного в лаборатории вычислительной гидромеханики и океанографии СКБ САМИ ДВО РАН программного комплекса NAMI-DANCE. Моделирование является важной частью системы раннего оповещения цунами. Разработанный программный комплекс рекомендован UNESCO для обучения моделированию волн цунами и в настоящее время используется в системе раннего оповещения Малайзии. Результаты моделирования цунами и наводнений от различных сейсмических и метеорологических источников позволяют выделять наиболее опасные области прибрежной зоны (рис. 6).
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки "Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН" (г. Южно-Сахалинск).
Елена Александровна Тихончук — канд. физ.-мат. наук, ученый секретарь;
Анатолий Емельянович Малашенко — канд. техн. наук, директор;
Игорь Николаевич Якутов — д-р техн. наук, зам. директора по научной работе.
Я/В (4242) 55 49 66
E-mail: skb@skbsami.ru □
УДК 621.396.664.551.526
АВТОНОМНАЯ ПРОФИЛИРУЮЩАЯ СТАНЦИЯ МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ СРЕДЫ "АКВАЦИКЛ"
Е. А. Тихончук, А. Е. Малашенко, И. Н. Якутов
Рассмотрена автономная профилирующая станция мониторинга водной среды "Аквацикл", предназначенная для долговременных регулярных измерений гидрофизических, гидрохимических и биологических параметров водной среды путем многократного вертикального профилирования от поверхностного слоя до заданной глубины в фиксированной географической точке. Рабочая глубина станции до 200 м, возможна работа станции в зимнее время подо льдом (без передачи данных). Станция "Аквацикл" может применяться при реализации автоматического мониторинга морской среды на континентальном шельфе в целях выявления опасных концентраций загрязняющих веществ для обеспечения безопасности портовых терминалов и буровых платформ. Ключевые слова: автономная профилирующая станция, мониторинг морской среды.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных составных частей организации мониторинга гидрофизических параметров морских акваторий является создание и внедрение комплекса современных технических средств контроля, предназначенных для оценки биологической продуктивности
морских экосистем, а также предотвращения экологических кризисов и катастроф на акваториях дальневосточных морей Российской Федерации.
Традиционные измерения параметров морской среды, проводимые с борта научных судов, являются дорогостоящими и эпизодическими. Поэтому основное
внимание должно быть уделено развитию автоматизации морских исследований с применением автономных средств комплексного контроля (автоматизированные подводные буи, станции, измерительные комплексы), оснащенных необходимой измерительной аппаратурой.
Известны зарубежные разработки подобных измерительных комплексов, но их высокая стоимость ограничивает возможности массового применения в науке. Кроме того, они не являются универсальными с точки зрения комплектации различными датчиками.
В СКБ САМИ ДВО РАН создан действующий макет автономной зондирующей измерительной станции, проведена его экспериментальная отработка в натурных условиях (рис. 1) и обоснован облик и технические характеристики будущего серийного образца.
Основные показатели макета:
— автономность работы до 80 сут.;
— максимальная рабочая глубина 25 м;
— дальность радиоканала 5 км;
— возможность подключения трех измерительных датчиков.
При этом станция имеет современное исполнение системы управления и передачи данных на основе микропроцессора.
Поскольку станция не содержит дорогостоящих компонентов (кроме датчиков), то в серийном исполнении она может найти широкое применение при проведении морских исследований.
СОСТАВ И СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СТАНЦИИ
Станция "Аквацикл" состоит из герметичного цилиндрического корпуса (рис. 2) с электронной аппаратурой внутри; лебедки с тросом, прикрепленной к станции снизу; радиоантенны и измерительных датчиков, размещенных на верхней крышке корпуса. Верхний конец троса намотан на лебедку, а нижний крепится к балласту, расположенному на дне.
Основным структурным элементом электрической схемы станции является управляющий контроллер, свя-
Рис. 1. Натурные испытания стан- Рис. 2.
ции "Аквацикл" и пункта управ- Станция "Аквацикл"
ления на озерах юга о. Сахалин и в Татарском проливе
Рис. 3. Контроллер на основе модуля ASMegaM-128
занный со всеми остальными электронными устройствами станции. Измеритель проводимости и температуры и радиомодем соединены с контроллером посредством порта К5-232, а сигнал от датчика давления нормируется усилителем и подается на один из входов АЦП контроллера. Два других входа АЦП подключены к датчику герметичности и батарее аккумуляторов, что позволяет осуществлять постоянный контроль этих устройств. Включение измерительных датчиков на период проведения измерений и включение радиомодема на время сеанса связи происходит с помощью электронных ключей, управляемых контроллером. Для перемещения станции по глубине контроллер подает команды "вверх" и "вниз" на лебедку через силовые ключи.
Пункт управления (ПУ) предназначен для подготовки станции к постановке, передачи на станцию управляющих команд и приема данных от станции по радиоканалу. В состав ПУ входят компьютер и радиомодем с направленной антенной.
Управляющий контроллер предназначен для:
— тестирования станции перед постановками;
— хранения в памяти заданной рабочей программы и выполнения ее в автономном режиме;
— управления лебедкой в соответствии с заданной программой и алгоритмом работы;
— включения и выключения измерительных датчиков и радиомодема;
— сбора поступающих на его входы данных от измерительных датчиков и преобразования аналоговых сигналов в цифровой код;
— контроля датчика герметичности и аккумуляторной батареи и подачи команды на аварийное всплытие в случае разгерметизации корпуса станции или разряда батареи;
— хранения измеренных параметров в памяти контроллера в виде формуляров;
— периодической передачи формуляров в ПУ через радиомодем;
— приема и исполнения полученных радиомодемом команд от ПУ.
Контроллер выполнен на основе модуля А8М^аМ-128 (рис. 3) со встроенными АЦП и ПЗУ и имеет аналоговые входы и цифровые порты для подключения
внешних устройств: компьютера, аналоговых и цифровых датчиков, исполнительных устройств.
Вся информация, хранящаяся в памяти контроллера, привязана к масштабу времени компьютера пункта управления. Формирователь временных интервалов входит в состав ПО контроллера.
Разработка программы для контроллера станции была выполнена на языке программирования С++. В качестве среды разработки использовалась программа AVR Studio 4.14 компании Atmel Corporation и программа WinAVR версии 20080610.
Радиомодемы станции и ПУ работают на частоте 433,92 МГц, специально выделенной регламентом радиосвязи для передачи данных без получения разрешения на использование частот. Радиомодем состоит из приемо-передающего модема RF-801 (ЗАО "Альтони-ка", Россия), усилителя мощности и антенного коммутатора. Излучаемая мощность 3 Вт, скорость передачи данных 1200 бит/с. Антенна радиомодема на станции — АШ-433; антенна на ПУ — АН-433 с коэффициентом усиления не менее 10 дБ. Радиомодем ПУ изготовлен в отдельном корпусе.
В качестве измерителя проводимости и температуры в станции использован кондуктометр "КРАБ", изготовленный ООО "Сенсор" (Россия). По принципу действия кондуктометр относится к классу приборов, использующих бесконтактный радиочастотный метод измерения проводимости среды. Данный метод основан на шунтирующем эффекте, возникающем при взаимодействии электромагнитного поля чувствительного элемента с окружающей средой.
Датчик давления состоит из тензопреобразователя марки Д-06-2 (производства ЗАО "ОРЛЭКС", Россия) с номинальным значением диапазона давления 0,6 МПа и нормирующего усилителя, расположенного на плате согласующих усилителей и ключей. Градуировка датчика производилась на грузопоршневом манометре вместе с нормирующим усилителем.
Блок ключей лебедки получает команды от контроллера: "вверх", "вниз", и "стоп" и, соответственно, либо коммутирует питание в нужной полярности, либо обесточивает лебедку.
Плата согласующих усилителей и ключей содержит: нормирующий усилитель датчика давления; ключи питания радиомодема, датчика давления и датчика проводимости и температуры; резистивные делители датчика герметичности и батареи аккумуляторов.
Все ключи питания управляются контроллером. Сигналы от датчика давления и делителей напряжения поступают на входы АЦП контроллера.
Электропитание станции осуществляется от батареи из четырех 12-вольтовых герметичных аккумуляторов типа FG20721, соединенных параллельно через диоды.
Для передачи данных на ПУ при отсутствии прямой видимости между ПУ и станцией можно использовать спутниковый радиомодем. Для проверки возможности работы через спутниковую систему был приобретен и опробован спутниковый радиомодем Qualcomm GSP1620 (рис. 4) c антенной DRA (рис. 5), работающий в системе спутниковой связи Глобалстар. Модем
Рис. 4. Плата рад
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.