目前建立的觀測網(wǎng)絡(luò)多采用恒壓供電方式，利用海水作為回路進行電能的傳輸，將岸基設(shè)置為陽極，海水和水下接駁盒設(shè)置為陰極，利用光纜中的銅導(dǎo)線將數(shù)千伏的高壓電能傳輸?shù)剿赂鱾€接駁盒，再利用接駁盒中的DC/DC模塊將高壓直流電能轉(zhuǎn)換為可供各種傳感設(shè)備使用的低壓直流電能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在目前的觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，全部采用的是直流輸電系統(tǒng)。直流輸電系統(tǒng)相對于交流供電系統(tǒng)主要有線路造價低、調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點。在直流輸電系統(tǒng)中又分為恒壓供電和恒流供電兩種方式。對于觀測網(wǎng)絡(luò)，部分系統(tǒng)采用恒壓供電，但其供電系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)置有大量的控制裝置和復(fù)雜龐大的電源變控系統(tǒng)，并且存在故障隔離難度大、不適合遠(yuǎn)距離供電、變換器復(fù)雜等缺點，沒有得到廣泛的應(yīng)用。相對于恒壓供電方式，恒流供電具有故障自動隔離、安全可靠、供電距離遠(yuǎn)、可帶負(fù)載多、轉(zhuǎn)換電路簡單、需高壓轉(zhuǎn)換電路等優(yōu)點，因此，本課題采用串聯(lián)恒流供電方式。

觀測網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)對直流電能傳輸過程的實時在線電力監(jiān)控，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示?；具h(yuǎn)程電力監(jiān)控中心實現(xiàn)對觀測網(wǎng)絡(luò)接駁盒監(jiān)控節(jié)點和觀測傳感器的集中監(jiān)測和控制，是系統(tǒng)的總控制中心。接駁盒監(jiān)控節(jié)點是系統(tǒng)的水下分控制中心，也是整個監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵裝置。接駁盒監(jiān)控節(jié)點負(fù)責(zé)采集所連接的各個傳感器的工作電壓、電流及節(jié)點內(nèi)部的工作溫度，并把這些原始采集數(shù)據(jù)通過光以太網(wǎng)傳送至基站遠(yuǎn)程電力監(jiān)控中心。接駁盒監(jiān)控節(jié)點還能夠接收基站監(jiān)控中心下發(fā)的各種控制指令，并通過節(jié)點內(nèi)部的單片機微控制器控制機械繼電器的開關(guān)，從而實現(xiàn)對各個觀測傳感器的遠(yuǎn)程遙控供電控制。

2 水下接駁盒監(jiān)控節(jié)點設(shè)計

2.1 接駁盒節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

圖2所示為接駁盒電能分配節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)采用兩個控制模塊進行電能的控制，采用三級控制策略對各種傳感設(shè)備、供電模塊進行通、斷控制。第一級別是岸基工作人員通過基站監(jiān)控中心向接駁盒內(nèi)部ADAM4060進行控制命令的下達(dá)，ADAM4060控制模塊實現(xiàn)相應(yīng)的操作，完成對傳感設(shè)備和供電模塊的控制。第二級別是C8051F020主控模塊自主完成對傳感設(shè)備的控制，沒有人工的參與，首先在前期的C8051F020軟件設(shè)計中，設(shè)定相應(yīng)采集電壓的閾值，在主控模塊工作中通過模擬外設(shè)ADC0進行各種傳感模塊電壓的采集，如果采集到的電壓不在閾值范圍之內(nèi)則觸發(fā)P1口控制繼電器工作，進行斷開命令，防止電壓過大使設(shè)備損壞，同時向岸基發(fā)送相應(yīng)的控制信息。第三級別主要由供電模塊自身硬件電路完成。

2.2 接駁盒節(jié)點電量測量模塊

觀測網(wǎng)絡(luò)電源模塊提供的電壓是標(biāo)準(zhǔn)的5 V、12 V、24 V，即整個監(jiān)控系統(tǒng)的輸出電壓范圍為5 V~12 V，可以利用電量隔離傳感器進行電壓的隔離和變換，取得與被測電壓成正比的0~5 V信號電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由采集模塊接收，然后通過傳輸模塊傳送給監(jiān)控中心。觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)中，采用直流供電技術(shù)進行對接駁盒內(nèi)部各種設(shè)備的供電。為了實現(xiàn)采集信號和低壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的完全隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性，系統(tǒng)采用WBV121G07電壓隔離傳感器進行供電設(shè)備直流電壓的檢測，該電壓隔離傳感器采用線性光電隔離原理，對電壓信號進行實時測量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成跟蹤輸入信號的、有一定隔離能力的標(biāo)準(zhǔn)跟蹤電壓（VG）輸出。如果要改變傳感器設(shè)備供電電壓測量范圍，可以在電量隔離傳感器的某一輸入端串入分壓電阻，電壓測量通過分壓電阻可以在不更換傳感器的情況下改變測量范圍。

2.3 接駁盒節(jié)點遠(yuǎn)程控制

開關(guān)量輸出通道一般用于繼電器、電磁閥門等模塊的控制，在觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)主要為了實現(xiàn)各種科學(xué)儀器的電能分配和電能的保護，采用繼電器輸出方式來實現(xiàn)電能的分配控制。繼電器輸出模塊工作原理是將單片機內(nèi)部的輸出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成繼電器觸點的不同動作。單片機輸出信號“1”對應(yīng)繼電器觸點閉合，單片機輸出信號“0”對應(yīng)繼電器觸點打開。圖3為某一路輸出模塊電路設(shè)計圖。開關(guān)量模塊采用光耦隔離，可以實現(xiàn)繼電器和單片機的隔離。大功率三極管用來驅(qū)動繼電器工作，同時利用發(fā)光二極管來指示工作狀態(tài)。

3 遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

觀測網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要包括基站主程序和接駁盒主程序兩大部分?；局鞒绦蛲ㄟ^基站前置機與接駁盒主程序通信，把從接駁盒監(jiān)控節(jié)點接收到的原始數(shù)據(jù)進行處理與換算、界面顯示及數(shù)據(jù)庫存儲等。接駁盒監(jiān)控節(jié)點主程序用于實現(xiàn)各觀測傳感器的A/D數(shù)據(jù)采集和機械繼電器開關(guān)控制。

3.1 接駁盒節(jié)點程序

接駁盒節(jié)點主控程序采用C語言開發(fā)設(shè)計，其程序流程如圖4所示。C805lF020控制程序主要分為初始化程序、主循環(huán)程序、采樣中斷子程序和通信中斷子程序四個模塊。初始化程序是對C8051F020單片機的一系列初值進行設(shè)定。

主循環(huán)模塊主要包含指令執(zhí)行函數(shù)和數(shù)據(jù)打包上傳函數(shù)。指令執(zhí)行函數(shù)對接收到的上位機指令進行解析，若不符合通信協(xié)議，則返回主循環(huán)；若符合通信協(xié)議，則執(zhí)行相應(yīng)的指令。數(shù)據(jù)打包上傳函數(shù)對要發(fā)送到上位機的各路采集信號進行打包封裝，送到發(fā)送緩沖區(qū)由通信中斷子程序進行處理。通信中斷子程序主要進行上位機命令數(shù)據(jù)包的接收和下位機系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)包的上傳。采樣中斷子程序主要對循環(huán)采樣的各路數(shù)據(jù)進行判斷檢測和處理，并將采樣數(shù)據(jù)暫存。

3.2 岸基站控制臺程序

觀測網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)上位機軟件要實現(xiàn)對接駁盒內(nèi)電能參數(shù)進行長期實時連續(xù)監(jiān)測，對超過閾值的情況報警，提供靈活的監(jiān)測方案。一般布置在岸基工作站。利用LabVIEW虛擬儀器可以開發(fā)出功能強大的上位機軟件，采用Modbus通信協(xié)議，通過RS-485串口實現(xiàn)與接駁盒下位機系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)對觀測網(wǎng)絡(luò)電能參數(shù)的實時監(jiān)控。

上位機軟件設(shè)計中涉及到LabVIEW的多個功能和概念，主要包括枚舉型、事件結(jié)構(gòu)、通知器、狀態(tài)機、生產(chǎn)者/消費者設(shè)計模式、While循環(huán)等。整個上位機軟件充分利用了LabVIEW的并行處理優(yōu)勢，在以隊列消息處理器為模板的基礎(chǔ)上進行了設(shè)計和實現(xiàn)，隊列消息處理器用于進行多個任務(wù)并行執(zhí)行的設(shè)計，可以在進行數(shù)據(jù)連續(xù)采集和存儲任務(wù)的同時監(jiān)控用戶界面事件。系統(tǒng)的程序框圖如圖5所示，可以看到系統(tǒng)由并行的5個循環(huán)組成，主要包括事件處理循環(huán)、UI消息循環(huán)、采集數(shù)據(jù)循環(huán)、存儲數(shù)據(jù)循環(huán)、顯示數(shù)據(jù)循環(huán)。事件處理循環(huán)（EHL）主要負(fù)責(zé)按用戶界面操作生成對應(yīng)的消息將事件生成消息傳送到UI消息循環(huán)。UI消息循環(huán)從事件處理循環(huán)接收消息同時將響應(yīng)消息送到其他消息處理循環(huán)（MHL）。采集數(shù)據(jù)循環(huán)主要進行遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部電能參數(shù)的采集。存儲數(shù)據(jù)循環(huán)主要進行采集數(shù)據(jù)的記錄。顯示數(shù)據(jù)循環(huán)主要進行采集數(shù)據(jù)的處理和波形圖表的更新。

4 系統(tǒng)測試與實驗

為了驗證觀測網(wǎng)電能管理系統(tǒng)能否有效地實現(xiàn)電能的管理控制，利用臺式機（其中帶有RS485接口）來進行采集數(shù)據(jù)的顯示，并在次級接駁盒接上各種傳感設(shè)備，如圖6所示。觀測網(wǎng)電能管理系統(tǒng)將采集的電能參數(shù)通過傳輸系統(tǒng)送到2M協(xié)轉(zhuǎn)口，并通過相應(yīng)的監(jiān)控軟件進行顯示。

通過監(jiān)控中心上位機軟件界面可以看到采集到的遠(yuǎn)程接駁盒內(nèi)部監(jiān)測信息如圖7所示，顯示了接駁盒內(nèi)部的溫濕度和各種設(shè)備的電壓參數(shù)，同時按下監(jiān)控界面的程控?zé)艨刂瓢粹o，可以通過電能管理系統(tǒng)將水下程控?zé)舸蜷_，實現(xiàn)對電能的監(jiān)測控制。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于接駁盒監(jiān)控節(jié)點的遠(yuǎn)程電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，接駁盒監(jiān)控節(jié)點采用霍爾電流傳感器檢測觀測傳感器的工作電流，采用電阻分壓的方法測量工作電壓，采用熱敏電阻來測量接駁盒節(jié)點內(nèi)部的工作溫度，并通過接駁盒內(nèi)部的機械繼電器開關(guān)，實現(xiàn)了觀測傳感器的電能分配控制，初步實現(xiàn)了觀測網(wǎng)絡(luò)電能供給系統(tǒng)運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測。實驗結(jié)果表明，該電能管理系統(tǒng)能提高觀測網(wǎng)絡(luò)電能供給的安全性和自動化水平，從而為我國的深海海底觀測平臺建設(shè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。