[Meshkov V. V. Foundations of lighting engineering. — Moscow: Jenergija, 1979. — 386 p. (In Russian).].
8. Горбунов Н. И., Дийков Л. К., Медведев Ф. К., Анисимова Н. П. Опто-электронные датчики пламени // Компоненты и технологии. — 2007. — № 1. [Gorbunov N. I., Dijkov L. К., Medvedev F. K, Anisimova N. P. Optoelectronic flame sensors // Components and technologies. — 2007. — № 1. (In Russian).].
9. Пат. на полезную модель, приоритет 23.07.2013. Инфракрасный многоспектральный приемник излучения / Н. Э. Тропина, А. Н. Тропин, Н. П. Анисимова, А. Е. Смирнов. [Patent for useful model, priority 23.07.2013. Multiband infrared radiation detector / N. Je. Tropina, A. N. Tropin, N. P. Anisimova, A. E. Smirnov. (In Russian).].
10. Медведев Ф. К., Смирнов А. Е., Сак А. В, Кулагов В. Б. Современ-
ная номенклатура разработок и производства приборов для систем пожарной безопасности на основе оптических ИК датчиков // Электронная промышленность. — 2014. — № 2. [Medvedev F. K., Smirnov A. E., Sak A. V., Kulagov V. B. Modern nomenclature for development and production of devices for fire security systems based on optical IR sensors // Electronics industry. — 2014. — № 2. (In Russian).].
УДК 551.46.07
АВТОНОМНАЯ ДОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОЗЕРА БАЙКАЛ1
THE AUTONOMOUS SUB-BOTTOM STATION IS USED FOR LONG-TERM OBSERVATION OF WATER ENVIRONMENT PARAMETERS OF THE LAKE BAIKAL
Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск
Аннотация: Представлены результаты разработки и испытания автономной донной станции для долговременного мониторинга гидрофизических и гидрохимических параметров водной среды озера Байкал. Измеряемыми параметрами являются: температура, электропроводность, давление, содержание растворенного метана и кислорода. Продолжительность работы станции на одном комплекте источников питания не менее 6 месяцев. Ключевые слова: мониторинг водной среды, автономная система, донная гидрофизическая станция.
Chensky Dmitry A.
Postgraduate, Electronics Engineer Е-mail: skb@istu.edu
Bezrukin Andrey G.
Research Engineer Е-mail: bezra2@mail.ru
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk city
Abstract: The results of the sub-bottom profiler development and its testing for long-term monitoring of hydrophysical and hydrochem-ical parameters of water environment of lake Baikal are represented. The measured parameters are: temperature, electric conductivity, pressure, dissolved methane and oxygen contents. Operation time on a single set of power sources at least 6 months.
Keywords: monitoring sub-bottom profiler.
Ченский Дмитрий Александрович
аспирант, инженер-электроник Е-mail: skb@istu.edu
Безрукин Андрей Геннадьевич
инженер-исследователь Е-mail: bezra2@mail.ru
ВВЕДЕНИЕ
Озеро Байкал уникально, одно из наиболее древних (более 25 млн лет) и глубоких
1 Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Гос. задание № 1218 от 01.03.2014 "Разработка гидроакустического профилографа с линейной частотной модуляцией для поиска аквальных газовых гидратов").
(1637 м) водоемов, оно является хранилищем более 20 % всех поверхностных пресных вод нашей планеты. В Байкале обитает более 1500 эндемичных водных организмов [1]. При растущей рекреационной нагрузке на озеро, увеличении числа судов, неконтролируемого сброса сточных вод необходим комплекс -
of water environment, self-sufficient system,
ный мониторинг параметров его уникальной экосистемы. Измерения гидрофизических и гидрохимических характеристик водной среды позволяют осуществлять контроль и прогнозировать состояние водоема, давать оценку и прогноз глобального изменения климата и антропогенного воздействия на
озеро. Обоснованные выводы о климатических и сезонных вариациях, корреляционных связях между различными факторами возможны лишь в случае проведения долговременного и непрерывного мониторинга.
ПРОГРАММНО АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДОЛГОВРЕМЕННОГО МОНИТОРИНГА
Так как проводить измерения в фиксированной точке озера в течение нескольких недель или месяцев с научно-исследовательских судов дорого, то для долговременных измерений параметров водной среды в заданной точке активно создаются автономные автоматические донные станции с системами сбора, предварительной обработки и хранения информации. Современные станции обладают высокой мобильностью, высоким быстродействием, приемлемыми массогабаритными параметрами, небольшим энергопотреблением и относительно низкой стоимостью [2].
Разработанная и изготовленная в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете автономная донная станция включает в себя модуль датчиков, модуль сбора, предварительной обработки и хранения данных, модуль питания, гидроакустические размыкатели, раму и поплавки [3]. Конструкция автономной донной станции схематично представлена на рис. 1. Станция состоит из груза 1, акустического размыкателя 2, рамы с закрепленными в ней датчиками и герметичным прочным корпусом для электроники и источников питания 3, поплавков 4. Для постановки
станции на дно используется дополнительный акустический размыкатель 5 и трос лебедки научно-исследовательского судна. Возможна постановка станции с ледового покрытия озера, при этом лебедка закрепляется на автомобиле. Акустический размыкатель 5 отсоединяет станцию от троса при достижении
ной станции
дна акватории по команде с пульта гидроакустического канала связи. Контроль расстояния до станции в процессе погружения осуществляется также по акустическому каналу. Подъем станции на поверхность происходит по гидроакустической команде размыкателю 2 с научно-исследовательского судна или ледового покрытия озера. При этом отсоединяется балласт и за счет положительной плавучести поплавков станция всплывает. Поиск станции происходит по радио и световым маякам.
Станция обеспечивает долговременные измерения, первичную обработку и хранение данных о температуре, давлении, электропроводности, содержании в воде растворенного метана и кислорода. Измерения осуществляются при помощи комплексного датчика 8ВЕ 37-8МР-ГОО [4] и датчика метана компании Franatech [5]. Корпус прибора выполнен из титана, что позволяет проводить измерения на глубинах до 8000 м. Датчики оснащены интерфейсом связи К5-232, по которому осуществляется считывание измеренных значений, изменение настроек датчиков и их калибровка. Технические характеристики датчиков приведены в таблице.
Микроконтроллерная система (рис. 2) служит для управления режимами автономной станции. Она отдает команды включения станции, сбора данных с датчиков и модуля 8ВЕ 37-8МР-ГОО, перехода в режим ожидания ("спящий" режим), отключения донной станции. Включение станции осуществляется по таймеру микроконтроллера. В режиме сбора дан-
Рис. 2. Структурная схема микроконтроллерной системы сбора, обработки и хранения данных
ных микропроцессор опрашивает датчики и записывает данные на Аа8^накопитель для дальнейшего хранения. После выполнения этих операций до следующего включения с целью экономии заряда источника питания производится переход в "спящий" режим с минимальным энергопотреблением (ток 5 мА). По истечении периода ожидания микроконтроллер снова переходит в режим сбора и записи данных. Периодичность сбора данных с датчиков программируется во время подготовки станции к постановке и может составлять от 10 с до 10 мин в зависимости от решаемой задачи по мониторингу водной среды.
Настройка режимов работы микроконтроллерной системы осуществляется перед погружением станции. После подключения диагностического разъема к последовательному порту компьютера производится диагностика датчиков и насосов станции, настройка расписания работы, синхронизация с мировым временем. В процессе работы станции установленные параметры не изменяются.
Используемое программное обеспечение включает: программу управления информационно-измерительной системой, программу настройки информационно-измерительной сис-
темы, программу предварительной обработки данных и графического отображения результатов. Программа управления сбором данных обеспечивает следующие функции: синхронизацию и настройку часов станции, режим отложенного запуска, настройку скважности работы, диагностику комплексного датчика, диагностику датчика метана, управление картой памяти, управление продолжи -тельностью работы насоса.
Основным элементом информационно-измерительной системы является микроконтроллер PIC24FJ256GA106 (рис. 3) [6]. В отличие от большинства моделей младших семейств (Р1С18)
он имеет четыре аппаратных ШАЯТ линии, 256 Кб программной и 16 Кб оперативной памяти, что позволяет создавать программы высокой сложности. Множество портов ввода/вывода дают возможность подключить к нему большое количество датчиков или иных устройств. Наличие интерфейсов и
12С позволяет подключать дополнительные цифровые модули, расширяя возможности системы [7]. Интерфейс Я8-232 используется для связи с цифровыми датчиками и для подключения к компьютеру, с помощью которого настраиваются режимы работы, синхронизиру-
Основные технические характеристики датчиков
Измеряемая величина Диапазон измерений Начальная точность Стабильность измерений Разрешающая способность
Проводимость Температура Кислород Давление Метан От 0 до 7 См/м От -5 до +35 °С 16 мг/дм 20/100/350/600/1000/2000 /3500/7000 м От 50 нМ/л до 10 мкМ/л 0,0003 См/м 0,002 °С 2 % от насыщения 0,1 % от полного диапазона шкалы От 1 до 500 нМ/л 0,0003 См/м 0,0002 °С 0,5 % за 1000 ч 0,05 % от полного диапазона шкалы в год От 20 нМ/л до 1 мкМ/л 0,00001 См/м 0,0001 °С 0,035 % от полного диапазона 0,002 % от полного диапазона шкалы От 1 до 40 мкМ/л
ется системное время и выполняется диагностика.
Взаимодействие микроконтроллера с картой памяти типа SD осуществляется по интерфейсу 8Р1. Программное обеспечение микроконтроллера поддерживает файловую систему FAT16 и объем накопителя до 2 Гб, что более чем достаточно для выполнения поставленных задач в течение нескольких месяцев. Данные сохраняются в текстовые файлы, в
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.