0 引 言

冰川作为生态环境中非常重要的一部分，长期以来是各国科学家们重点研究的对象［1］。采集冰川参数是冰川研究工作的重要组成部分，但是，由于冰川地理环境恶劣(如高寒、缺氧等)，数据采集工作受到了很大的限制，给冰川研究工作带来了诸多不利影响。近年来，冰川参数的采集逐渐由人工向自动化发展，诸多冰川参数采集系统已经面世。但这些系统由我国自主研发的甚少，并且还存在着诸如自动化程度不高、功耗大等问题，这些因素都给我国的冰川研究工作带来了诸多不利影响［2］。

本文提出一种精度较高、功耗低、可靠性较高、成本较低的自动冰川参数采集系统，实现了冰川温度与湿度、冰川地理坐标、雪高度等参数自动测量和存储，对我国的冰川研究工作有着重要的意义。

1 系统结构

系统主要由三大部分组成:主控制器、数据测量和数据存储与传输。系统的结构如图1 所示。

系统的主控制器通过电子开关与其他模块连接，每个开关均由程序控制，相应开关闭合，与其相连接的模块被供电进入工作状态。当所有测量工作结束并且数据传输完成之后，断开所有开关，所有外围模块停止工作，主控制器进入低功耗模式，整个系统进入休眠状态，以达到低功耗的目的。系统主要采用低功耗元器件设计而成，进一步降低了系统功耗。

1.1 主控制器

主控制器选用功耗和成本均较低的MSP430F149 单片机。MSP430F149 是TI 公司推出的16 位微处理器，支持1.8～3.6 V 电压供电，全速运行时的电流仅为280 μA，休眠状态微处理器的电流只有0.1 μA;支持五种省电模式，同时具有很快的唤醒速度，唤醒时间仅为6 μs;片内集成12 位A/D 转换器，两种定时器，2 个UART 通信端口，以及比较器，运行环境温度范围为－40～+85 ℃［3］。

1.2 数据测量

数据测量主要包括时钟、温度与湿度测量、雪高度测量、定位、电源管理五部分。

1.2.1 时钟

时钟用于为系统工作提供一个基准时间，定时唤醒系统使其进入工作状态。该系统中的时钟模块采用PHILIPS公司推出的一种工业级的实时时钟/日历芯片PCF8563。PCF8563 含I2C 总线接口，功耗极低，具有报警功能、定时功能、时钟输出功能和中断输出功能，能够完成各种复杂的定时任务。

1.2.2 温度与湿度测量

该系统采用Sensirion 公司生产的高性能、高精度的数字温湿度传感器SHT21 测量温度与湿度。SHT21 的供电电压为3.3 V;工作温度范围为－40～+125 ℃;温度测量范围为－40～+125 ℃，测量精度为±0.3 ℃;湿度测量范围为0～100%RH，测量精度为±2%RH。正常工作情况下，SHT21的功耗只有0.9 μW。

1.2.3 雪高度测量

通过分析雪高度的变化，研究人员可以知道冰川上冰雪的融化情况［4］。该系统采用超声波测距模块US—100 测量雪高度。US—100 超声波测距模块可实现2～4.5 m 的非接触测距功能，拥有2.4～5.5 V 的宽电压输入范围，静态功耗低于2 mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。

系统采用的是US—100 的电平触发模式。工作时，系统向US—100 的Trig/TX 管脚输入一个10 μs 以上的高电平，US—100 便可发出8 个40 kHz 的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，US—100 还要测量温度，然后根据当前温度值对测距结果进行校正，将校正后的结果通过US—100 的Echo/RX 管脚输出。系统可在US—100 的Echo/RX 管脚接收到一高电平，根据公式s=0.17t 即可计算出距离。其中，s 为US—100 的探头到雪面的距离，mm;t 为US—100 的Echo/RX 管脚发出高电平的持续时间，μs。

1.2.4 定 位

通过对冰川的经纬度和海拔高度的长期观测分析，研究人员可以获知冰川的运动情况［5］。该系统使用高精度GPS 进行定位［6］。

GPS 直接与MSP430F149 的串口1 相连接，系统可直接通过该串口获得GPS 数据。GPS 数据大，包含内容多，在某一时刻，系统通过该串口接收GPS 数据量是相当大的，而上位机需要的只是其中的时间、经纬度和海拔高度，所以，系统需要通过程序将时间、经纬度和海拔高度从众多的数据中提取出来。在该系统中，程序先找到GPPGA 标志，然后根据相对位置矢量，从GPPGA 后面的数据中提取出时间、经纬度和海拔高度等数据。

1.2.5 电源管理

在冰川地区，监测设备依靠太阳能供电，即将太阳能电池板产生的电能存储在蓄电池中［7］，再由蓄电池给监测设备供电。但是，蓄电池的欠压或过充不仅会缩短自身的使用寿命，还会给用电系统造成不良影响。为了延长蓄电池使用寿命，让整个系统能够持续稳定工作，提高系统的稳定性，系统在每次工作时，都会检测电池电量。当电量过低时，系统会通过太阳能电池板给蓄电池充电;当蓄电池的电量达到使用要求时，充电停止。

1.3 数据存储与传输

1.3.1 数据存储

数据存储部分采用哈佛结构，包括命令存储器和数据存储器两部分。

命令存储器主要用来存储控制命令，如操作模式命令和节点的ID 号等。该系统用AT24C02 作为命令存储器，AT24C02 是2 kB 串行I2C 总线EEPROM 芯片。

数据存储器主要用于存储采集的数据，该系统用SD 卡作为数据存储器。

1.3.2 数据传输

系统采用Zig Bee 技术传输数据，根据实际需要，Zig Bee 网络可组成星型、树状和网状等网络拓扑结构［8，9］，Zig Bee 的这种自由路由组网功能，适宜在冰川复杂地形区域组成无线传感网络，实现环境监测的网络化。

系统中的数据传输模块选用的是顺舟科技SZ05 系列嵌入式无线通信模块。该模块集成了符合IEEE 802.15 Zig Bee 协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通信距离远(在无遮挡场地传输距离最大可达2000 m，接上高增益定向天线后，传输距离更远)、抗干扰能力强、自由路由组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性;可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输。

2 系统工作原理

系统的工作流程图如图2 所示。其中“C”表示系统接收到的命令，“C1”，“C2”，“C3”，“C4”，“C5”分别表示设置系统ID 命令、设置系统时间命令、手动测试命令、自动测试命令、其他命令即错误命令。

当系统开始工作时，首先开启数据传输模块，等待上位机发来命令。为了简化操作，该系统只识别四种命令，分别是设置系统ID 命令，设置系统时间命令，手动测试模式命令和自动测试模式命令，其他均为错误命令。系统开始工作后，将有30 s 时间等待上位机命令。在这30 s 内，如果上位机传来正确命令，则系统会根据命令执行相关任务，如果上位机传来错误命令，则系统进入自动测试模式。当等待时间超过30 s 后，系统会直接进入自动测试模式。

设置系统ID，是为了识别测量数据所属节点。该系统中数据传输采用的是星型网络拓扑结构，其示意图如图3所示。为了正确识别测量数据所属节点，每个节点都有自己的编号，即系统的ID 号。通过识别ID 号，就能够获知数据所属节点。

设置系统时间，是为了给系统工作提供一个基准时间，方便研究人员从时域上研究冰川的变化规律。另一方面，系统要做到实时测量，每天要对冰川进行多次测量，数据量必然很大，为了方便使用者的查询和使用，所有文件按照测量日期命名，一天之内测量的数据放在同一个文件当中。使用者只需按照文件名检索文件，就能够得到某一天的测量数据。

手动测试模式是该系统的一项最基本工作模式，在此工作模式下，系统只有收到相应测试命令后才会进行一次测量，其余时间则是等待命令。工作人员可以通过每次测量的情况，判断出整个系统和系统中各部分的工作情况，所以，手动测试模式主要用于仪器的调试和维护。

自动测试模式是该系统的主要工作模式。在此工作模式下，系统被时钟产生的中断唤醒之后才能工作。系统根据人们的需求，可以实现定时测量和等时间间隔测量。当系统被唤醒之后，开启所有外围模块，进入工作状态，待测量过程和数据传输完毕后，关闭所有外围模块，单片机进入低功耗模式，整个系统进入休眠状态，直至再次被时钟中断唤醒。

自动测试模式下，系统只有在测量数据时外围模块才被供电，系统功耗达到最大。但是测量时间持续很短，所有的测量和传输在90 s 之内全部完成，所以，耗能较低。而在休眠时，外围模块被断电，主控制器处在低功耗模式，整个系统耗能极低。

3 系统实际工作情况

3.1 系统功耗

在实际工作过程中，系统采用5 V 电压供电，其功耗情况如下表1 所示。从表1 可知，在一个工作周期中，当系统处于工作状态时，最大功率为0.8 W，而当系统处于休眠状态时，功率只有0.05 W。可见系统的整体功耗是较低的。

3.2 数据测量与传输结果

目前，该系统在八一冰川观测站和马衔山观测站试用。表2～表4 为系统是在八一冰川试用后的部分结果。其中表2 是1#节点SD 卡中存储的文件，均以日期为文件名，使用者能够轻松找到某一天的数据;表3 是1#节点在2014 年8 月3 日采集到的数据，共24 次，使用者可以非常方便地看到一天中0～23 时的数据，如温度、湿度、雪高度的变化，海拔高度等。表4 为数据中心(兰州)接收到的部分节点的相关数据，使用者也可以通过数据中心获得相关数据。

4 结束语

该系统耗能较低，可以实现定时测量和等时间间隔测量，并能够自动存储和传输数据，实现了数据采集的自动化。此外，该系统指令较少，操作方便;系统结构层次分明，便于维护;组网便捷，传输效率高。

该系统不仅适用于冰川环境中，也适用于沙漠，戈壁滩等其它恶劣复杂的环境当中，可以快速组建临时性或季节性野外环境监测网络系统;不仅适用于科学研究，也适用于农业生产，为农业生产提供服务，该系统适用范围较广，具有很高的推广和使用价值。

［1］ 谢遵义，张世强，张小文.基于GIS 的冰川动力学模型部分参数自动提取研究［J］.冰川冻土，2011，33(3):519－523.

［2］ 牛树飞.冰川自动气象站无线数据传输系统的设计［D］.兰州:兰州大学，2011.

［3］ 李 彬，王朝阳，卜 涛，等.基于MSP430F149 的最小系统设计［J］.应用天地，2009，28(12):74.

［4］ 丁明虎，效存德，明 镜.南极冰盖表面物质平衡实测技术综述［J］.极地研究，2009，21(4):312－314.

［5］ 艾松涛，王泽明，鄂栋臣，等.利用GPS 的北极冰川运动监测与分析［J］.武汉大学学报:信息科学版，2012，37(11):1338－1339.

［6］ 井哲帆，周在明，刘 力.中国冰川运动速度研究进展［J］.冰川冻土，2010，32(4):752.

［7］ 于 静，车俊铁，张吉月.太阳能发电技术综述［J］.世界科技研究与发展，2008，30(1):56－58.

［8］ 钟艮林.Zig Bee 无线传感网络的设计与实现［J］.科技信息，2009(31):71.

［9］ 王小强，欧阳俊，黄宁淋.Zig Bee 无线传感器网络设计与实现［M］.北京:化学工业出版社，2012:1－9.