南极中山站周边水环境冰情监测系统的设计与研究

摘要

本文研究的课题是在水利部2012年公益性行业科研专项经费项目“黄河冰情自动监测系统研发与现场试验（项目编号:201201080）”和2009年度“高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号:20091402110004）”的资助下，结合中国第28次南极科学考察中山站周边环境冰水情科考仪器的研制与开展的一项应用研究。
　　 人类对南极的探索从其被发现之日起就没有间断过且很多国家都在南极建有科考站。南极冰盖不仅记录了过去全球气候变化，而且对现在全球气候变化具有放大作用。基于这一特点，人类可以通过对南极气候的观测来及时把握全球气候的变化，这就需要相应的观测手段来对此地区的气候数据精确掌握，并取得大量现场数据。
　　 本文针对中国第28次南极科学考察，对中山站环境冰水情数据采集与监测急需专用冰情观测仪器的需求，设计了一种基于电导率差异原理的冰水情实时自动监测系统。设计过程中，我们以太原理工大学测控技术研究所冰情检测课题组正在黄河河道进行冰情自动监测现场试验系统为基础，充分考虑了南极中山站特殊的野外工作环境，对原有系统的结构、电路功能、设备制造工艺电路板进行了改进，增加了冰情数据的卫星通信传输功能，提出了新的监测设备安装方式，通过实验室老化试验，新研制的系统可以可靠地实现对冰生消过程、冰层内部温度梯度值以及水位数据的在线连续采集、并可通过卫星通信方式将采集数据实时传送到中山站或国内监测站数据处理中心。为实现这一需求，本文主要从以下四个方面对系统进行设计和现场实验:
　　 (1)对硬件方面的设计。文章针对南极极端恶劣的气候，在系统低功耗设计上做了大量修改，包括电路板重新设计，去掉不需要的功能，更换功率损耗大的元器件。
　　 (2)数据采集软件部分设计，由于过去的系统软件结构复杂，维护起来很不方便，并且当南极地区环境（比如温差）变化极大时，系统稳定性不够高。基于这一问题，本文引入嵌入式软件设计思想。具体包括uC/OS-Ⅱ在MSP430上的移植并编写了相应的应用进程。另外，为了应用方便，文章还利用VB设计了网络和串口数据接收、数据库存储软件。
　　 (3)冰情监测系统数据采用北斗卫星实现数据无线传输。由于过去在黄河上应用的是基于GPRS/GSM的移动网络，但在南极地区网络无法覆盖，本文比较了几个常用的卫星通信系统，并对北斗卫星通信系统的两种数据终端的相关参数进行对比。
　　 (4)冰情传感器安装结构设计。南极地区人力物力有限，进行土建工作困难。本文对传感器结构进行精简，将数据采集板和冰情传感器进行结构组合，便于冰情监测装置在湖泊中安装。
　　 文章最后介绍了系统实地安装情况，包括黄河内蒙段几处监测点和南极湖泊中的仪器安装效果。下一步将在南极和中国北部边界处的额尔古纳河进行进一步的实验，来观察系统在极度寒冷条件下的实际运行情况。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 国内外现在采用的冰情监测方法

1．3 论文主要研究目的和内容

第二章 冰情检测系统总体设计思路

2．1 南极中山站周边环境介绍及其对冰情监测系统的要求

2．2 冰情监测系统总体结构

2．3 冰情检测原理概述

2．4 本章小结

第三章 南极中山站周边水环境冰情监测系统的硬件设计

3．1 传感器基本结构与设计

3．2 数据采集板设计

3．2．1 电源模块的选型和设计

3．2．2 实时时钟模块的选型和设计

3．2．3 键盘和液晶显示电路接口设计

3．2．4 模数转换电路接口设计

3．2．5 数据存储电路接口设计

3．2．6 中央处理单元(MCU)的选择和配置

3．2．7 系统硬件仿真接口设计

3．2．8 采集系统与信号传输模块的接口设计

3．3 数据通信方式选取与应用

3．3．1 无线通信方式比较

3．3．2 北斗卫星通讯系统简介

3．3．3 北斗用户机性能对比

3．3．4 系统数据传输的方式

3．4 本章小结

第四章 南极中山站周边水环境冰情监测系统的软件设计

4．1 冰情传感器软件设计

4．2 数据采集板软件设计

4．2．1 uC／OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统简介

4．2．2 uC／OS-Ⅱ在Msp430上的移植

4．2．3 数据采集过程软件设计

4．3 基于VB的上位机数据接收软件设计

4．3．1 VB语言与Access数据库简介

4．3．2 上位机软件的设计及其基本功能

4．3．3 VB与后台数据库Access连接与交互

4．4 本章小结

第五章 冰情监测系统的应用与实验数据分析

5．1 冰情监测装置的试验现场情况

5．2 实验数据分析与处理

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结与不足

6．2 系统改进与展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及获奖情况