CN103197040A - 近海海洋跃层水质实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种近海海洋跃层水质实时监测系统，在海面水声通讯机借助浮标或船只搭载的基础上，有能力在陆地上准确、实时地获取近海跃层水体的海水环境条件数据；该系统集成了水声通信和感应耦合通讯两种水下无线数据传输方式，使得它与已有的监测系统相比，具有更安全更方便更经济的特点。本发明数字量传感器集成采用感应耦合无线数据传输方式，这样在设计和布局上减少了有线电缆，从而极大地提高了其在浮标系统中工作的安全性和稳定性，再通过与水声通讯机的结合，使得它能很好的应用于多参数测量、浮标系留结构条件下的监测。而现有的其他监测系统还未有能够适应这一多参数测量、浮标系留结构的应用条件。

Description

近海海洋跃层水质实时监测系统

 

技术领域

本发明涉及一种海洋监测系统，特别是一种近海海洋跃层水质实时监测系统，主要应用于实时、准确地监测近海海洋跃层水体部分的水质参数数据等。

背景技术

跃层是海洋中最常见也是最重要的物理现象之一，它控制着其上下水层间的热、盐等水体物理性质的垂向通量，是内波存在的必要条件。在生物地球化学过程中，它制约着水体中化学物质的垂向交换，这一过程进一步影响和决定着海洋生物过程的变化，并通过食物链影响整个海洋生态系统。因此，跃层对于海洋生态系统的影响是直接而显著的，很多生物化学现象和生态环境问题的存在都与之有关，如海洋次表层叶绿素最大值、近海季节性底层缺氧现象等。所以，了解水体层化及其发展情况是我们分析、预测这些生态现象形成、发展和变化的重要基础背景。

海洋浮标监测是现今世界上最有效实时获取数据的测量方式，卫星、无线电、手机等通讯技术的快速发展，建立实时远程海洋监测系统越来越多地成为海洋科学考察的首选方案。但监测数据从海洋表面发送至陆地前，首先需要将数据从水下实时传输至海面，现有的近海实时监测主要集中在海水表层，不管是国际上还是我国已有的近海海洋环境监测网，对海表以下水体的实时观测极少涉及，特别是海洋监测遭受渔业拖网严重破坏的我国近海迄今还未有有效的监测手段。

鉴于现有技术的监测手段和水平，针对近海海洋跃层水体的监测系统，须具备以下特点：（1）使用安全和方便，尽量使用无线通讯方式传输数据；易于安装于浮标系留中。（2）功耗低，系统需工作持续时间长；（3）数据准确安全，监测数据准确是我们了解、研究海洋现象的基础条件，而且须确保数据在传输过程中的安全。

CN1744143A《一种海洋水域传感器网络监测系统》，公开了一种基于无线数据传输方式的网络监测系统，它的使用范围局限于海水表层，未涉及海洋水下特别是底层的数据监测和传输。CN101358867A《一种海洋水位实时监测系统》，公开了一种包括海底信号采集部分、海面信号中转部分及岸站控制部分的海洋水位实时监测系统。该监测系统将海洋底层水位数据通过无线传输及信号中转方式实时发送至岸站的，它只涉及海洋底层单个参数数据的实时监测，难以应用于多参数测量、浮标系留结构条件下的监测。

    CN101852794《一种近海海洋底层缺氧现象实时监测系统》公开了一种海洋底层多参数水质数据的实时监测系统，用于对海洋底层缺氧现象的检测。其存在以下缺陷：1、监测系统集成的数字量传感器数量多，为了降低故障率，各个数字量传感器之间的电源和信号都相互隔离。电源隔离采用IB10.805S的隔离电源，信号隔离采用光耦4N25进行隔离。由于处理器的UART口不够用，采用SC16IS762双路SPI传输总线驱动芯片进行数字量传感器的集成，而没有采用处理器的UART口进行数据的传输。由于信号隔离采用了光耦4N25进行隔离，由于光耦的传输特性，数据传输的速度不宜过快。

   2、监测系统的水质监测控制主站处理器采用LPC2138芯片，采用CAT809复位芯片，当工作电压波动过大，影响系统工作时，此芯片不能自动复位的作用，影响系统可靠地工作。

3、监测系统的电源模块采用的方法是增加一套外设电源控制电路，由处理器对电源的通断进行控制。传感器之间的电源需要相互隔离，采用的方法是采用隔离电源进行供电。电路板的布局采用电源模块和其他电路共同放在一块电路板上。这样系统的可靠性与稳定性不高，也不便于系统的进一步扩展以及故障的检查。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种近海海洋跃层水质实时监测系统，在海面水声通讯机借助浮标或船只搭载的基础上，有能力在陆地上准确、实时地获取近海跃层水体的海水环境条件数据；该系统集成了水声通信和感应耦合通讯两种水下无线数据传输方式，使得它与已有的监测系统相比，具有更安全更方便更经济的特点。

本发明的技术方案：近海海洋跃层水质实时监测系统，包括水质监测分站、水质监测控制主站、水声通讯分站和供电分站；

所述的水质监测分站包括三个感应式数字量传感器模块和一个感应式数字量传感器集成模块、一个模拟量传感器集成模块，水质监测控制主站包括数据处理器最小系统模块、外扩存储模块、实时时钟电路，水声通讯分站包括跃层水声通讯机、海面水声通讯机，供电分站包括电池包、电源模块和供电接口；

所述的数据处理器最小系统包括数据处理器、数据处理器晶振电路、数据处理器复位监测电路，数据处理器最小系统与RS485驱动芯片、模拟量传感器集成模块、外扩存储模块、实时时钟模块相连接，供电分站通过供电接口与水质监测控制主站连接；

所述的水质监测控制主站控制水质监测分站和水声通讯分站的运行，水质监测控制主站通过感应式数字量传感器集成模块对三个感应式数字量传感器模块以感应耦合方式顺序扫描的方式进行数据采集，对获取的数据进行校验、融合、存储，并运用自定义的方法对融合后数据进行加密，把加密后的数据包发送给水声通讯分站的跃层水声通讯机, 跃层水声通讯机在水声通讯环境适合数据传输的条件下，把数据包从跃层传输至海面水声通讯机；供电分站给水质监测控制主站供电；

所述的水质监测分站通过三个感应式数字量传感器模块负责对三个水体深度的水质各个参数的采样，一个感应式数字量传感器集成模块负责集中采集三个感应式数字量传感器模块传递的水质各个参数，通过RS485接口、RS485驱动芯片与数据处理器的UART0相连；

所述的一个模拟量传感器集成模块为分站电源电压模拟信号集成模块，分站电源电压模拟信号集成模块使用电池包分压电路，通过供电接口接数据处理器的模拟信号采集脚；

所述的数据处理器最小系统包括数据处理器C8051F064、数据处理器复位监测电路、数据处理器晶振电路，数据处理器的晶振脚两端接晶振和电容C5、C6，C8051F064采用3.3V的数字电源供电，C8051F064的复位脚接复位芯片TPS3707-30D；

所述的实时时钟电路包括实时时钟芯片DS1302、实时时钟电池和实时时钟晶振电路；

数据处理器C8051F064的SCL脚接实时时钟芯片DS1302的SCL脚，数据处理器C8051F064的SDA脚接实时时钟芯片DS1302的SDA脚，通过IIC总线方式传输数据，实时时钟芯片DS1302的VCC脚接锂电池，使系统在断电的情况下，实时时钟仍然工作在计时状态，实时时钟芯片DS1302的X1和X2引脚接晶振；

所述的数据处理器的IIC总线连接实时时钟芯片；数据处理器的SPI总线连接外扩存储模块，数据处理器的RST脚连复位监测电路；数据处理器的仿真端口连接仿真调试接口；

所述的供电模块的电源模块分为模拟电源电路模块和数字电源电路模块，所述的模拟电源电路模块和数字电源电路模块的3.3V和0V分别通过磁珠连接；

所述的模拟电源电路模块和数字电源电路模块从电池包取电，通过5V变压芯片、3.3V变压芯片和±15V变压芯片为水质监测控制主站供电，5V变压芯片的输入端从电池包接口取电，并接旁路电容，输出端接滤波电容，输出电压为5V；3.3V变压芯片的输入端接5V变压芯片的输出端，并接滤波电容，输出电压为3.3V，输出端接滤波电容；±15V变压芯片的输入端接5V变压芯片的输出端，±15V变压芯片的输出端的+15V端接两个滤波电容，-15V端接两个滤波电容，地端接模拟电源的地；

    外扩存储模块采用SD存储卡，RS485驱动芯片采用MAX485芯片，复位监测电路采用TPS3707-30D芯片，仿真调试接口采用标准20脚的JTAG仿真调试接口，电池包的电池电压为14V，5V变压芯片采用78L05，3.3V变压芯片采用G1117，±15V的变压芯片采用NR5D15。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.与CN101852794监测系统相比，本发明数字量传感器集成采用感应耦合无线数据传输方式，这样在设计和布局上减少了有线电缆，从而极大地提高了其在浮标系统中工作的安全性和稳定性，再通过与水声通讯机的结合，使得它能很好的应用于多参数测量、浮标系留结构条件下的监测。而现有的其他监测系统还未有能够适应这一多参数测量、浮标系留结构的应用条件。

2.与CN101852794监测系统相比，本发明监测系统的数字量传感器的数据传输采用485通讯方式，485具有传输距离远，接收灵敏度高，抗干扰性能好，组网灵活的特点。

3. 与CN101852794监测系统相比，本发明监测系统的复位监测电路改用以TPS3707-30D芯片为主的电路，相比CAT809芯片，此芯片更加可靠，稳定，具有实时监测工作电压的作用，当工作电压波动过大，影响系统工作时，此芯片具有自动复位的作用，使系统更加可靠地工作。

4. 与CN101852794监测系统相比，本发明监测系统的模拟量传感器的信号改用集成运算放大器为主的检测电路，此检测电路输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高，失调与飘移小，能更加稳定、准确地采集模拟量传感器的信号。

5. 与CN101852794监测系统相比，本专利监测系统的电源模块单独采用一块电路板，它与主控制板通过接口相连，这样使电源模块与控制模块分开，提高系统的可靠性与稳定性，也便于系统的进一步扩展以及故障的检查。

附图说明

图1为本发明实施例一种近海海洋跃层水质实时监测系统结构框图。

图2为图1中实施例的数字量传感器集成模块与水质监测控制主站连接框图。

图3为图1中实施例的模拟量传感器集成模块与水质监测控制主站连接框图。

图4为图1中水质监测控制主站的处理器最小系统电路图。

图5为图1中水质监测控制主站的SD存储卡SPI传输总线驱动电路图。

图6为图1中水质监测控制主站的实时时钟电路图。

图7为图1中实施例的水声通讯分站与水质监测控制主站连接框图。

图8为图1中实施例的电源供电电路图。

具体实施方式

下面通过实施例，结合附图对本发明作进一步的阐述。

参见图1，实施例一种近海海洋跃层水质实时监测系统，包括水质监测分站a、水质监测控制主站b、水声通讯分站c和供电分站d。水质监测分站a包括数字量传感器集成模块和模拟量传感器集成模块，其中，数字量传感器集成模块设置三个不同深度的感应式水质仪传感器模块和一个感应式水质仪传感器集成模块；模拟量传感器集成模块设置分站电源电压模拟信号集成模块。其感应式数字量传感器集成模块负责对水质各个参数的采样，模拟量传感器集成模块负责对电池包电源电压采集。水质监测控制主站b包括数据处理器最小系统1、外扩存储模块2、实时时钟电路16、RS485驱动芯片12和RS485驱动芯片15。水声通讯分站c包括跃层水声通讯机10和海面水声通讯机11。数据处理器最小系统1通过RS485驱动芯片15与数字量传感器集成模块相连；数据处理器最小系统1通过模拟信号接收脚与模拟量传感器集成模块相连；数据处理器最小系统1通过现场传输总线3与外扩存储模块2相连；数据处理器最小系统1通过RS485驱动芯片12与跃层水声通讯机10相连接；

实施例数据处理器最小系统1的数据处理器采用C8051F064芯片，现场传输总线3采用SPI传输总线，外扩存储模块2采用SD存储卡，现场传输总线4采用485总线，现场传输总线18为IIC总线。数字量传感器集成模块通过485总线方式同水质监测控制主站b通讯。水声监测分站通过485总线方式同水质监测控制主站b通讯，本实施例采用485总线传输，也可以选用422、232总线传输。

水质监测控制主站b控制水质监测分站a和水声通讯分站c的运行,供电分站d负责给水质监测分站a供电。水质监测控制主站b对水质监测分站a的数字量和模拟量传感器以顺序扫描的方式进行数据采集，对获取的数据进行校验、融合、存储，并运用自定义的方法对融合后数据进行加密，把加密后的数据包通过485总线4发送给水声通讯分站c, 水声通讯分站c在水声通讯环境适合数据传输的条件下，把数据包从水体跃层位置传输至海面。

实施例水质监测分站a结构参见图2～3。

如图2所示，水质监测分站的数字量传感器集成模块通过RS485接口，RS485驱动芯片与数据处理器C8051F064相连。实施例RS485驱动芯片15采用MAX485芯片，R3、R4、R5的作用是在没有信号时保证485差分信号线上至少有一定的压差，避免接受端产生误码；D1、D2是为了防止电路里的电压差发生突变时起保护作用。

如图3所示，模拟量传感器集成模块由电池包分压电路组成，检测的电源电压从电池包两端取电，当数据处理器C8051F064处于工作模式下才进行电压检测。数据处理器C8051F064的检测电压范围为0～3.3V，而输入电压为14V，故采用分压电路进行分压，再把合适的电压输入到数据处理器C8051F064的模拟信号脚进行采集。其中R9、R10起分压作用，集成运算放大器OP07、电阻R6起分压作用，C4起滤掉检测环境中的高频干扰信号用。

实施例水质监测控制主站b结构参见图4～6。

如图4所示，处理器最小系统包括数据处理器C8051F064，数据处理器的晶振脚两端接晶振和电容C5、C6。C8051F064采用3.3V的数字电源供电。C8051F064的复位脚接复位芯片TPS3707-30D，该复位芯片具有电压监测作用，当供电电压偏低时，具有自动复位的作用。

外扩存储模块SD存储卡的SPI传输总线驱动电路如图5所示，外扩存储模块SD卡的DO、DI两个端口分别连接上拉电阻R13、R12至数据处理器C8051F064的VDD脚，即+3.3V，使SD存储卡工作于SPI模式下，SD卡的DO、DI两脚亦分别对应与数据处理器C8051F064的MISO、MOSI引脚连接； SD卡的SPI传输总线采用4线制，连接到数据处理器LPC2148的 SPI端口，即SD卡的CLK脚与数据处理器C8051F064的SCK引脚连接；SD卡的CS脚连接数据处理器C8051F064的P3.7引脚进行片选。

实时时钟电路图如图6所示，数据处理器C8051F064的SCL脚接实时时钟芯片DS1302的SCL脚，数据处理器C8051F064的SDA脚接实时时钟芯片DS1302的SDA脚，通过IIC总线方式传输数据。实时时钟芯片DS1302的VCC脚接锂电池，使系统在断电的情况下，实时时钟仍然工作在计时状态。实时时钟芯片DS1302的X1和X2引脚接晶振。 

水声通讯通讯分站c连接参见图7。

跃层水声通讯机通过RS485接口，RS485驱动芯片与数据处理器C8051F064相连。实施例RS485驱动芯片12采用MAX485芯片，R16、R17、R18的作用是在没有信号时保证485差分信号线上至少有一定的压差，避免接受端产生误码；D3、D4是为了防止电路里的电压差发生突变时起保护作用。

电源供电电路图接口参见图8。

5V变压芯片的输入端从电池包接口取电，并接旁路电容，输出端接滤波电容，输出电压为5V；3.3V变压芯片的输入端接5V变压芯片的输出端，并接滤波电容，输出电压为3.3V，输出端接滤波电容。±15V变压芯片的输入端接5V变压芯片的输出端，±15V变压芯片的输出端的+15V端接两个滤波电容，-15V端接两个滤波电容，地端接模拟电源的地。5V变压芯片采用78L05，3.3V变压芯片采用G1117，±15V变压芯片采用NR5D15。

实际使用时，近海跃层水质实时监测系统经耐压、水密包装后布放于监测海域水体跃层位置，其中只有海面水声通讯机11布放于海表面，一般由浮标或船只作为它的支撑平台。监测系统中数字量传感器集成模块中的感应式水质仪传感器6、感应式水质仪传感器7、感应式水质仪传感器8测量跃层位置的海水水深、温度、电导率、溶解氧和叶绿素数据。本监测系统将近海海洋跃层水质参数测量数据完整而准确地实时传输至海面。

整个近海海洋跃层水质实时监测系统的工作原理如下：

水质监测控制主站b控制水质监测分站a和水声通讯分站c的运行，进行以下工作流程：                                               

利用读取实时时钟DS1302的时间值对工作时间和休眠时间进行自动检测控制；

控制各数字量和模拟量传感器集成模块的工作，采集、处理监测数据；

控制跃层水声通讯模块进行水声通讯条件判断，判断合格情况下把采集数据从跃层位置传输至海面。

按照系统工作流程，设定本实施方案的初始工作频率为一小时一次。水质监测控制主站b利用实时时钟DS1302进行计时，实时时钟DS1302一直处于计时状态，当设定工作时刻到来时，水质监测控制主站数据处理器C8051F064从掉电模式唤醒到工作模式，采用485总线同感应式水质仪传感器集成模块通讯，采用ASCII格式，发送“fcl”命令把感应式水质仪传感器集成模块和三个感应式水质仪传感器从待机状态触发到接收命令状态，再发送“#01cjsl”命令使感应式水质仪传感器6开始测量数据，发送“#02cjsl”命令使感应式水质仪传感器7开始测量数据，发送“#03cjsl”命令使感应式水质仪传感器8开始测量数据，测量好之后，感应式水质仪传感器6、感应式水质仪传感器7、感应式水质仪传感器8的数据按顺序以感应耦合通讯方式发送水质仪传感器集成模块，并打包后，通过485总线通讯发送给数据处理器C8051F064，数据处理器C8051F064通过查询或中断模式从串行口数据缓存区读取数据，并判断数据是否合理，数据不合理则使感应式水质仪传感器集成模块重新测量；接着，数据处理器C8051F064通过查询或中断的方式读取模块电压值。

监测控制主站b数据处理器C8051F064获取了所有仪器测量数据后，检查判断其中的水温温度值，当水温温度变化超过1℃/小时时，重新初始化实时时钟RTC，改变监测系统工作频率至半小时一次，当水温温度变化不超过1℃/小时时，则恢复监测系统工作频率在一小时一次。随后，数据处理器C8051F064对获取的所有数据进行格式转换、按序排列，融合组成一个数据包后存储至SD存储卡2。

同时，数据处理器C8051F064对融合后的数据进行自定义的加密算法，再把加密后的数据包发送给跃层水声通讯机10之前，数据处理器C8051F064先向跃层水声通讯机10发送“检测”命令，海底水声通讯机10返回检测数据，当数据显示周围水声环境有利于数据水声传输时，数据处理器C8051F064将加密后的水质数据发送至跃层水声通讯机10，它再将数据传输至海面水声通讯机11；如果数据显示周围水声环境不利于数据水声传输时，数据处理器C8051F064将每隔5分钟命令跃层水声通讯机10“检测”一次，直到将加密后的水质数据发送至跃层水声通讯机10或下一工作时刻的来临。数据处理器1完成单次工作后，使自己重新处于掉电状态，利用实时时钟等待下一个工作时刻。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.近海海洋跃层水质实时监测系统，其特征在于：包括水质监测分站、水质监测控制主站、水声通讯分站和供电分站；

所述的水质监测分站包括三个感应式数字量传感器模块和一个感应式数字量传感器集成模块、一个模拟量传感器集成模块，水质监测控制主站包括数据处理器最小系统模块、外扩存储模块、实时时钟电路，水声通讯分站包括跃层水声通讯机、海面水声通讯机，供电分站包括电池包、电源模块和供电接口；

所述的数据处理器最小系统包括数据处理器、数据处理器晶振电路、数据处理器复位监测电路，数据处理器最小系统与RS485驱动芯片、模拟量传感器集成模块、外扩存储模块、实时时钟模块相连接，供电分站通过供电接口与水质监测控制主站连接；

所述的水质监测控制主站控制水质监测分站和水声通讯分站的运行，水质监测控制主站通过感应式数字量传感器集成模块对三个感应式数字量传感器模块以感应耦合方式顺序扫描的方式进行数据采集，对获取的数据进行校验、融合、存储，并运用自定义的方法对融合后数据进行加密，把加密后的数据包发送给水声通讯分站的跃层水声通讯机, 跃层水声通讯机在水声通讯环境适合数据传输的条件下，把数据包从跃层传输至海面水声通讯机；供电分站给水质监测控制主站供电；

所述的水质监测分站通过三个感应式数字量传感器模块负责对三个水体深度的水质各个参数的采样，一个感应式数字量传感器集成模块负责集中采集三个感应式数字量传感器模块传递的水质各个参数，通过RS485接口、RS485驱动芯片与数据处理器的UART0相连；

所述的一个模拟量传感器集成模块为分站电源电压模拟信号集成模块，分站电源电压模拟信号集成模块使用电池包分压电路，通过供电接口接数据处理器的模拟信号采集脚；

所述的数据处理器最小系统包括数据处理器C8051F064、数据处理器复位监测电路、数据处理器晶振电路，数据处理器的晶振脚两端接晶振和电容C5、C6，C8051F064采用3.3V的数字电源供电，C8051F064的复位脚接复位芯片TPS3707-30D；

所述的实时时钟电路包括实时时钟芯片DS1302、实时时钟电池和实时时钟晶振电路；

数据处理器C8051F064的SCL脚接实时时钟芯片DS1302的SCL脚，数据处理器C8051F064的SDA脚接实时时钟芯片DS1302的SDA脚，通过IIC总线方式传输数据，实时时钟芯片DS1302的VCC脚接锂电池，使系统在断电的情况下，实时时钟仍然工作在计时状态，实时时钟芯片DS1302的X1和X2引脚接晶振；

所述的数据处理器的IIC总线连接实时时钟芯片；数据处理器的SPI总线连接外扩存储模块，数据处理器的RST脚连复位监测电路；数据处理器的仿真端口连接仿真调试接口；

所述的供电模块的电源模块分为模拟电源电路模块和数字电源电路模块，所述的模拟电源电路模块和数字电源电路模块的3.3V和0V分别通过磁珠连接；

所述的模拟电源电路模块和数字电源电路模块从电池包取电，通过5V变压芯片、3.3V变压芯片和±15V变压芯片为水质监测控制主站供电，5V变压芯片的输入端从电池包接口取电，并接旁路电容，输出端接滤波电容，输出电压为5V；3.3V变压芯片的输入端接5V变压芯片的输出端，并接滤波电容，输出电压为3.3V，输出端接滤波电容；±15V变压芯片的输入端接5V变压芯片的输出端，±15V变压芯片的输出端的+15V端接两个滤波电容，-15V端接两个滤波电容，地端接模拟电源的地；

    外扩存储模块采用SD存储卡，RS485驱动芯片采用MAX485芯片，复位监测电路采用TPS3707-30D芯片，仿真调试接口采用标准20脚的JTAG仿真调试接口，电池包的电池电压为14V，5V变压芯片采用78L05，3.3V变压芯片采用G1117，±15V的变压芯片采用NR5D15。

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