CN105704213A - 一种用于环境监测的无线网络浮标系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于环境监测的无线网络浮标系统，包括服务器设备组及浮标设备组；服务器设备组包括网络服务器及远程终端，网络服务器包含数据库和浮标代理；浮标设备组主要包含浮标主体；浮标主体包括舱室、电源模块、无线通信单元、主控与处理器单元、水声调制解调器及传感器；主控与处理器单元包含水声协议栈和声学远程控制模块，水声协议栈尤其包含透明层，可支持跨层设计；声学远程控制模块由远程终端允许其对节点启动、停止及通信协议栈进行修改；水声调制解调器采用多载波及自适应调制编码技术；传感器可连接在主控与处理器单元或水声调制解调器上。本发明实现灵活、界面友好、通信传输效率高，有效提升了现有环境监测浮标系统的性能。

Description

一种用于环境监测的无线网络浮标系统

技术领域

本申请涉及一种用于环境监测的无线网络浮标系统，用于各种水体的水面及水下环境监测技术领域。

背景技术

传统的海面或水下环境监测大多采用有线线缆形式，近年来出现基于GPRS/TDMA等类型的网络节点，然而其传输速率及实时信息传递是各种水面监测技术的发展瓶颈。

经过检索，国内外专利和文献关于无线网络浮标设备方面，涉及卫星通信信息传输、无线网络信息传输、无线局域平台信息交互等。相关文献如下：

1）实用新型专利“一种基于GPRS网络的航道水深远程监控系统”（专利号：CN204439172U），其核心是浮标布设有监控设备现场采集数据，再由测深仪及远程数据传送设备传输到移动基站，再经GPRS及Internet网络，将信息传输到远程监控中心。

2）发明专利“一种跨海水-空气界面的电磁波传输系统及方法”（专利号：CN104618032A），包括一个或多个水声-电磁波潜标和一个监控平台；水声-电磁波潜标将传感器接收的水声信号转换为电磁信号，再经侧面波传输到监控平台被接收。

3）发明专利“一种可升降的通信中继系统及方法”（专利号：CN201210152691.8），包括天线舱、中继控制舱和升降装置，用于水下用户与地面控制中心间的信息交互；天线舱与中继控制舱双向无线通信；天线舱顶部配备卫星通信终端，用于与地面控制中心进行指令交互。此种传输系统和方法的缺点是体积庞大、天线舱易被发现，卫星传输时延过大，无法实现实时信息交互。

4）美国专利“Methodandapparatusforcarryingouthighdatarateandvoiceunderwatercommunication”（专利号：US6130859A），包含发射机、接收机及多普勒频移补偿；发射机包括数据源，串形转换为n路并行数据，n通道调制器产生调制的信号，发射机还包括水诊器用于接收和发送已调制信号；接收机包括接收已调信号的水诊器；接收机包括射频电路用于放大及对接收信号进行成型滤波，串并数据处理器，n通道解调器。

本发明通过引入嵌入式处理模块、自适应调制方式以及标准无线网络协议设计，灵活的传感器接入及数据传输方式，有效改进和提升了现有浮标系统与装置的传输性能。

发明内容

本发明提出了一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其目的是进一步提高现有浮标系统传输性能以及安装与使用灵活度。

本发明系统包括服务器设备组及浮标设备组两部分；其中，服务器设备组又包括网络服务器及远程终端，其中网络服务器又包含数据库和浮标代理；浮标设备组又包括浮标主体、缆绳和锚系，其中，浮标主体是承载设备的主体，内部主要包括若干舱室、电源模块、无线通信单元、主控与处理单元、水声调制解调器及传感器模块。

所述网络服务器为远程处理中心，一方面使远程终端可以访问，另一方面将远程终端从浮标设备组接收的数据存储入其数据库中。

浮标代理是服务器设备组中与浮标设备组建立通信的模块，为浮标主体中主控与处理单元的提供远程登录网络服务器的技术手段；用户一方面通过使用远程终端与浮标主体中的主控与处理单元通信，另一方面，用户通过使用远程终端可以查看数据库中已经存储的测量数据。

所述舱室至少包含三个：上部舱室、中部舱室和下部舱室；其中，下部舱室安装蓄电池等较重配件，中部舱室安装主控与处理器单元；中部舱室外面提供太阳能电池板的安装点；上部舱室安装无线通信单元，其中，无线通信单元的天线安装在上部舱室的支架上。

所述电源模块主要包括蓄电池和太阳能电池板；为整个浮标设备组提供电力，太阳能电池板产生的电能存储于蓄电池中；一般提供蓄电池来提供电力，由于蓄电池提供的电压与设备所需要的电压不一致，因此，还需要直流变压器对电压进行转换；如果配备太阳能电池板，则太阳能电池板产生的电能需要储存到蓄电池里，这就需要稳压器来防止电压过高对蓄电池造成的损害。

无线通信单元主要由无线调制解调器、天线、天线适配器以及天线电缆组成；将浮标设备组中的主控与处理器单元通过无线网络建立与远程终端的通信连接，具体操作步骤为：

1）浮标代理与远程终端建立连接；

2）浮标代理再把无线通信单元中收到的要传输的传感器数据通过无线网络透传到无线通信单元。

所述的无线网络可以为GPRS、CDMA、LTE等网络；也可以是卫星及HF电台网；

所述2）中“收到的要传输的传感器数据”可以直接来源于传感器模块，也可以来自于水声调制解调器：即：浮标代理及无线通信单元为水声调制解调器及传感器模块提供了远程操作的接入方式；

主控与处理单元与无线通信单元之间具有串口和网口两种连接方式；当主控与处理单元与无线通信单元之间采用网口连接时，可以使网络服务器和主控与处理单元之间通过tftp（TrivialFileTransferProtocol）网络协议传送文件；

主控与处理单元每隔T分钟调用其中的采集程序采集传感器数据，并将此数据保存在其SD卡上；服务器设备组中的浮标代理每隔M分钟会调用取数据程序，将没有上报的采集数据上报到网络服务器的数据库；网络服务器对采集的数据库中的数据进行可视化显示及处理；

水声调制解调器包含水听器；用来接收和发送传感器模块采集的水声通信数据；再传输给主控与处理单元、无线通信单元以及无线网络到达服务器设备组；其作用相当于一个水声的网卡；

传感器模块主要功能是测量所在位置海水温度、电导率（盐度）及深度等参数；通过电缆连接入浮标主体外，另一端可以连接在浮标主体中主控与处理单元或者与水声调制解调器相连；也可以搭载浮标、潜标及各种水下固定或移动平台上。

有益效果

本发明是一种用于环境监测的无线网络浮标系统，具有如下有益效果：

1.本发明提出的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，引入嵌入式处理模块、自适应调制方式以及标准无线网络，进一步提升了数据传输速率和数据准确性；

2.本发明提出的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，传感器可以实现灵活接入水声调制解调器或者主控与处理单元，并且可以受远程终端直接控制采集数据，从而实现实时监测水体环境状况；

3.本发明提出的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其中的远程终端可以通过无线通信单元连入主控与处理单元，实现对采集数据的灵活采集、传输与监测；

4.本发明提出的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其供电方式灵活，可以蓄电池、太阳能电池板还有充电装置，能够保证充足的电源供应，使得在特殊时段，可以连续不间断监测水体环境。

附图说明

图1为本发明一种用于环境监测的无线网络浮标系统及实施例中的系统组成框图；

图2是本发明实施例1中一种用于环境监测的无线网络浮标系统的浮标设备组的组成与连接图；

图3是本发明实施例1中一种用于环境监测的无线网络浮标系统的电源及串行通信分配及示意图；

图4是本发明实施例2中一种用于环境监测的无线网络浮标系统的工作流程中步骤十的登陆账号示意图；

图5是本发明实施例2中一种用于环境监测的无线网络浮标系统的工作流程中步骤十一登陆后浮标显示的数据；

图6是本发明实施例2中一种用于环境监测的无线网络浮标系统的工作流程中步骤11.3中点击盐度曲线弹出盐度曲线的图表；

图7是本发明实施例2中一种用于环境监测的无线网络浮标系统中浮标及其参数示意图；

图8是本发明实施例2中一种用于环境监测的无线网络浮标系统的工作流程中步骤11.4中对某浮标的修改示意图。

实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。

实施例1

图1为一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其组成如图1所示，图2为本实施例中一种用于环境监测的无线网络浮标系统中浮标设备组的组成与连接关系图。

本实施例图2中传感器即传感器模块，在本实施例中为CTD传感器，用于测量水温、盐度和深度；水声调制解调器及水声MODEM；浮标主体包含下部舱室、中部舱室和上部舱室，其中蓄电池位于下部舱室；中部舱室包含主控与处理器单元；上部舱室安装无线通信单元，其中，天线为LTE天线，安装在上部舱室的外部支架上，以保证良好的无线信号质量。

如图2所示，所述的CTD传感器用于采集水体的相关数据指标；CTD传感器经RS232串行线缆连接到浮标主体，在浮标主体内部与外部的水声MODEM通过RS232串行线缆相连；

本实施例中浮标主体是承载设备的主体，所有设备配件都安装或者挂接在浮标主体上；对于挂接在水下的CTD传感器和水声MODEM，浮标主体提供挂靠点。

此外，本实施例的浮标中部舱室的侧面提供太阳能电池板安装点；

本实施例将除天线以外的无线通信单元称为LTEDTU单元，相当于一个透明的网关，它将主控与处理单元通过电信运营商提供的4G无线通信网络连接到公网上，为水面节点提供了方便快捷的远程接入方式，即浮标提供了远程操作的接入方式：

无线通信单元将无线通信调制解调器连接到运营商的4G网络后就可以获取到一个IP地址，用户可根据这个IP地址就可以远程登录到运行在主控板上的嵌入式LINUX系统，进行实验操作；

无线通信单元收到用户从远端发来的命令后会同时通过串口传递到主控与处理单元及电源分发板，如图3所示。

因为主控与处理单元上运行的是嵌入式LINUX操作系统，所以用户可以通过终端软件登录到主控与处理单元上的LINUXSHELL上进行终端操作。

LTEDTU单元通过串口和以太网口连接到主控与处理单元上，并通过无线网络连接到服务器上，提供了远程操作浮标的手段；其中主控与处理单元采用高性能ARM芯片作为主控芯片，其内含Linux操作系统及基于此操作系统的各种软件接口与平台；

LTEDTE单元通过TCP连接到浮标代理，并将TCP连接数据透传到主控与处理单元上；

主控与处理单元相当于一个ARM内核的单板计算机，整个浮标系统的大脑，所有的数据设备都与它相连接；内部配有水声通信协议栈的嵌入式LINUX操作系统以及声学控制模块；其中，水声通信协议栈作为一个主控与处理单元的内核模块，无线通信单元、水声调制解调器和CTD传感器则相当于几个它的外设配件连接在串口上；

本实施例中的主控与处理单元通过RS232连接CTD传感器；用于直接接收CTD传感器采集的数据或CTD传感器采集的数据经水声调制解调器调制后再被主控与处理单元接收，再通过无线通信装置传送到远程的监控终端上。

本实施例中主控与处理单元每隔T=60分钟调用其中的采集程序采集传感器数据，每次采集数据持续6分钟，并将此数据保存在其SD卡上；服务器设备组中的浮标代理每隔M分钟会调用取数据程序，将没有上报的采集数据上报到网络服务器的数据库；网络服务器对采集的数据库中的数据进行可视化显示及处理。

电源系统由太阳能电池板，充电器，蓄电池，电能分配板和直流变压器组成，为整个浮标提供电力供应，具体为：

太阳能板产生的电能通过稳压器储存在蓄电池中，再通过直流变压器将蓄电池的输出电压从12V转换到24V提供给无线通信单元的无线调制解调器单元和电源分发板；电源分发板则负责向主控与处理单元、水声调制解调器以及CDTSensor供电；通过太阳能供电，可以为水面节点提供稳定的供电，保障了本发明提出的一种用于环境监测的无线网络浮标系统组成的监测网络的长期运行。

图3为本实施例1中的电源及串行通信分配及示意图。

本实施例中的浮标设备组中的传感器可以测量海洋表面到1000米水深剖面各层的海水温度、电导率（盐度）、深度等参数，并通过RS232接口将测量得到的数据传送到连接的设备上。这些测量的参数可以用于海洋科学考察研究、海洋资源调查开发、海洋环境监测预报以及海洋军事等应用中，具体来说：

对于水上节点和水下节点两类不同应用，CTD传感器可以连接到不同的设备上：

a.所谓水面节点是指一种用于环境监测的无线网络浮标系统中的浮标设备组位于水面；

b.所谓水下节点是指一种用于环境监测的无线网络浮标系统中的浮标设备组位于水下；

对于a.水面节点，CTD传感器连接在主控与处理单元上，采集到的数据直接通过4G数据网络发送到远端的控制台上；而对于水下节点，它是直接连接在水声调制解调器上，采集到的数据只能通过水声调制解调器发送出去，再被水面节点的水声调制解调器中的水听器接收。

实施例2

本实施例是基于本发明一种用于环境监测的无线网络浮标系统中的软件配置传输方法，具体体现在浮标设备组中的主控与处理单元中。

本实施例的主控与处理单元配备有ARM内核CPU，大容量RAM（本实施例中64MB）和闪存（本实施例中16MB），运行在高主频上（本实施例中主频为400MHz）；主控与处理单元还配置有SD存储卡（本实施例中为32GB），用于来存贮日志文件和程序数据。

本实施例中的主控与处理单元上有3个RS232接口，分别用于连接无线通信单元、水声调制解调器以及CTD传感器。

主控与处理单元位于图2中的电路板箱体中，其上安装运行的嵌入式的LINUX操作系统，这使得大量LINUX上的软件工具都可供科研人员使用来对浮标软件平台进行操作和开发；LINUX操作系统的开源特性也非常适合研究人员对硬件进行高效的操作。

本实施例中，主控与处理单元上包含水声网络协议栈SEALINX，该协议栈用来连接通过水声方式连接不同的水面节点。

本SEALINX协议栈具有分层体系架构，对于跨层的设计具有很好的支持；同时也使得适配不同的水声MODEM变得简单。

此协议栈通过引入一个透明层（Translucentlayer），AQUA-NET可以支持一些跨层的设计，例如UW-ALOHA，SlottedFAMA，以提高协议栈的效率；

本SEALINX协议栈是用C语言编写的且在计算机上进行交叉编译成目标文件，然后保存在主控与处理单元的SD存储卡中；用户可以通过调节协议栈的参数来直观地观测这些参数对水声通信性能的影响。为便于调试，LINUXSHELL脚本也被使用来编写测试程序。

此外，主控与处理单元还配备一个声学控制模块，以客户端软件的终端用户界面形式让用户可以方便地对一个节点重新编程、启动/停止程序以及修改协议参数；客户端软件使得用户可以通过远程终端来操作浮标设备组接收监测数据。

通过客户端软件，用户可以以图形化的方式，方便地对水上节点进行操作和配置，并能实时图形化显示从节点上发送来的测量数据，便于及时发发现问题，并能根据客户设置的门限值，进行告警提示。

本发明及本实施例中一种用于环境监测的无线网络浮标系统的工作流程包含如下步骤：

步骤一、安装登陆网络服务器的操作软件；

优选的登陆网络服务器的软件为Putty；

步骤二、安装apache、php以及php-apache软件；

步骤三、安装和配置网络服务器的数据库mariadb：并设置数据库账号与密码；

步骤四、安装网络服务器的操作软件apachewebserver；

步骤五、通过访问网址http://server_ip_address验证网络服务器操作软件apachewebserver是否安装成功；

步骤六、安装数据库管理网站phpmyadmin；

所述步骤六中安装数据库管理网站phpmyadmin的过程中webserver选择apache；

步骤七、使用http://server_ip_address/phpmyadmin进行数据库操作与管理；

所述步骤七中，登陆数据库时使用步骤三中设置的账号和密码；

步骤八、登陆数据库phpmyadmin后，创建数据库；

所述的创建数据库通过运行LanpengDatabaseCreation.sql来实现；

步骤九、安装拷贝工具，并部署网站；

优选的拷贝工具是：sshfs；采用此拷贝工具将将本地文件拷贝到服务器目标目录中，具体步骤为：

9.1安装sshfs；

9.2在fileexplorer菜单中File>connecttoserver,选择ssh的连接方式，

输入服务器的ip地址，登录帐号，目标目录（这里为/var/www/html）；

9.3将本地文件夹Lanpeng和index.html拷贝到/var/www/html中；

9.4拷贝完毕后访问http://server_ip_address将自动跳转到网址：

http://server_ip_address/Lanpeng/Buoys.php

步骤十、登陆账号；

具体登陆示意图如图4所示；

步骤十一、进行数据操作，数据操作包含创建传感器及操作浮标等，具体为：

11.1创建传感器模拟数据，需运行

http://server_ip_address/Lanpeng/SensorDataGenerator.php

并在数据库SensorRead表中插入模拟数据；

11.2浮标传感器数据显示，登陆后显示地图及若干图标的位置；

某浮标显示如图5所示，图中显示浮标为已经连接，及最新采集的温度、电导率和盐度的数据；

11.3浮标传感器温度曲线查看可以通过点击温度曲线来显示，并可以修改其实日期；

图6为本实施例中点击盐度曲线弹出盐度曲线的图表；

11.4用户也可以通过点击初始界面点击管理进入管理界面。可进行浮标、用户和配置管理和修改；

其中，对某浮标的关机及修改如图7和图8所示。

以上对本发明“一种用于环境监测的无线网络浮标系统”进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。实施例说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

包括服务器设备组及浮标设备组两部分；服务器设备组又包括网络服务器及远程终端，其中网络服务器又包含数据库和浮标代理；浮标设备组又包括浮标主体、缆绳和锚系，其中，浮标主体是承载设备的主体，内部主要包括若干舱室、电源模块、无线通信单元、主控与处理单元、水声调制解调器及传感器模块。

2.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述网络服务器为远程处理中心，一方面使远程终端可以访问，另一方面将远程终端从浮标设备组接收的数据存储入其数据库中。

3.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述浮标代理是服务器设备组中与浮标设备组建立通信的模块，为浮标主体中主控与处理单元的提供远程登录网络服务器的技术手段；用户一方面通过使用远程终端与浮标主体中的主控与处理单元通信，另一方面，用户通过使用远程终端可以查看数据库中已经存储的测量数据。

4.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述舱室至少包含三个：上部舱室、中部舱室和下部舱室；其中，下部舱室安装蓄电池等较重配件，中部舱室安装主控与处理器单元；中部舱室外面提供太阳能电池板的安装点；上部舱室安装无线通信单元，其中，无线通信单元的天线安装在上部舱室的支架上。

5.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述电源模块主要包括蓄电池和太阳能电池板；为整个浮标设备组提供电力，太阳能电池板产生的电能存储于蓄电池中；一般提供蓄电池来提供电力，由于蓄电池提供的电压与设备所需要的电压不一致，因此，还需要直流变压器对电压进行转换；如果配备太阳能电池板，则太阳能电池板产生的电能需要储存到蓄电池里，这就需要稳压器来防止电压过高对蓄电池造成的损害。

6.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述无线通信单元主要由无线调制解调器、天线、天线适配器以及天线电缆组成；将浮标设备组中的主控与处理器单元通过无线网络建立与远程终端的通信连接，具体操作步骤为：

1）浮标代理与远程终端建立连接；

2）浮标代理再把无线通信单元中收到的要传输的传感器数据通过无线网络透传到无线通信单元；

所述的无线网络可以为GPRS、CDMA、LTE等网络；也可以是卫星及HF电台网；

所述2）中“收到的要传输的传感器数据”可以直接来源于传感器模块，也可以来自于水声调制解调器：即：浮标代理及无线通信单元为水声调制解调器及传感器模块提供了远程操作的接入方式。

7.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述的主控与处理单元与无线通信单元之间具有串口和网口两种连接方式；当主控与处理单元与无线通信单元之间采用网口连接时，可以使网络服务器和主控与处理单元之间通过tftp（TrivialFileTransferProtocol）网络协议传送文件。

8.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述的主控与处理单元每隔T分钟调用其中的采集程序采集传感器数据，并将此数据保存在其SD卡上；服务器设备组中的浮标代理每隔M分钟会调用取数据程序，将没有上报的采集数据上报到网络服务器的数据库；网络服务器对采集的数据库中的数据进行可视化显示及处理。

9.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

所述的水声调制解调器包含水听器；用来接收和发送传感器模块采集的水声通信数据；再传输给主控与处理单元、无线通信单元以及无线网络到达服务器设备组；其作用相当于一个水声的网卡。

10.如权利要求1所述的一种用于环境监测的无线网络浮标系统，其特征在于:

传感器模块主要功能是测量所在位置海水温度、电导率（盐度）及深度等参数；通过电缆连接入浮标主体外，另一端可以连接在浮标主体中主控与处理单元或者与水声调制解调器相连；也可以搭载浮标、潜标及各种水下固定或移动平台上。