CN105783887A - 一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统 - Google Patents

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邢锰
甘维明
李朝万
张镇迈
阮飞
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Abstract

本发明提供一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，包括岸基单元和数据采集单元，所述岸基单元设有第一北斗通信终端，所述数据采集单元设有第二北斗通信终端，所述岸基单元通过北斗卫星系统向所述数据采集单元发送指令和接收采集数据，所述数据采集单元包括浮标本体和连接在浮标本体下方的若干个采集阵元，所述浮标本体设有浮标单元CPU主控模块，所述采集阵元设有采集单元CPU主控模块，所述浮标单元CPU主控模块向所述采集单元CPU主控模块发送指令和接收采集数据。本发明实现长期无人值守情况下的远距离海洋水文的实时监测，海洋环境观测数据具有完整性和科学性。

Description

一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统
技术领域
本发明涉及海洋水文实时监测技术领域，特别涉及一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统。
背景技术
海洋环境观测技术的发展趋势是近岸的固定观测系统辅以可灵活布放的潜(浮)标系统以及海洋测量船。观测数据传输媒介是海洋环境观测系统的关键，为了实现海洋环境观测数据的实时采集与传输，目前海洋环境观测数据传输通常是采用有线(缆)、短波、GSM/CDMA等通信方式，而无线传输被广泛应用的通信方式是各类具有通信能力的卫星系统。浮标现有的卫星通信方式主要是应用Inmarsat-C卫星终端，但海事卫星C站的存储转发方式的非实时性及一定的不确定性给使用带来不方便等因素，同时国际海事卫星是由国外运营管理的卫星系统，安全保密性差、外界条件限制多、建设维护费用高，不利于海洋环境测量数据的实时、安全、有效地传输。现有海洋水文监测只能现场、短时间采集水文数据。
发明内容
鉴以此，本发明的目的在于提出一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，利用我国自主研发的具有定位、授时和短报文通信能力的北斗卫星系统设计开发一种海洋水文数据实时采集传输系统，进行海洋环境监测将不受时空和其他外界条件限制，弥补海洋环境监测数据传输手段的不足。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，包括岸基单元和数据采集单元，所述岸基单元设有第一北斗通信终端，所述数据采集单元设有第二北斗通信终端，所述岸基单元通过北斗卫星系统向所述数据采集单元发送指令和接收采集数据，所述数据采集单元包括浮标本体和连接在浮标本体下方的若干个采集阵元，所述浮标本体设有浮标单元CPU主控模块，所述采集阵元设有采集单元CPU主控模块，所述浮标单元CPU主控模块向所述采集单元CPU主控模块发送指令和接收采集数据。
优选的，所述岸基单元包括第一北斗通信终端、数据采集终端和数据库服务器，所述第一北斗通信终端与所述数据采集终端连接，所述数据采集终端和所述数据库服务器连接。
优选的，所述数据采集终端运行海洋水文监测系统，所述海洋水文监测系统包括RS232收发模块、数据处理模块、自定义通信协议模块、数据管理模块、以及人机界面显示模块，在接收采集数据过程中：所述RS232收发模块将所述第一北斗通信终端传输过来的数据，交由所述数据处理模块解码，再由所述自定义通信协议模块根据通信协议解包，最后由所述人机界面显示模块显示，且由所述数据管理模块根据管理需求写入所述数据库服务器的数据库；在发送指令过程中：通过所述人机界面显示模块接收用户指令，将相应的指令通过所述自定义通信协议模块打包，再由所述数据处理模块编码，最后由所述RS232收发模块通过所述第一北斗通信终端发送出去。
优选的，所述海洋水文监测系统还包括网络服务模块、用户管理和登陆模块，所述网络服务模块分别与所述RS232收发模块、自定义通信协议模块和所述人机界面显示模块连接，所述用户管理和登陆模块与所述人机界面显示模块连接。
优选的，所述浮标本体内部设有供电组件和第一电子系统托板、顶部设有第二北斗通信终端和天线罩、以及外围设有浮体，所述第一电子系统托板设有所述浮标单元CPU主控模块，所述浮标单元CPU主控模块与所述第二北斗通信终端相连，所述第二北斗通信终端置于所述天线罩内。
优选的，所述浮标单元CPU主控模块包括为浮标单元CPU主控模块供电的浮标单元电源模块、浮标单元主控CPU、分别与浮标单元主控CPU连接的RS232接口电路、浮标单元CAN总线接口电路、采集阵元供电控制电路、电池电量采集电路以及看门狗电路，所述RS232接口电路与所述第二北斗通信终端相连。
优选的，所述浮标本体通过采集阵列电缆连接所述采集阵元，所述采集阵列电缆为4芯电缆，其中2芯为供电电缆，2芯为CAN总线电缆。
优选的，所述采集阵列电缆包括主缆和支缆，所述支缆与所述采集阵元连接。
优选的，所述采集阵元一端设有与所述支缆连接的第一水密接头，内部设有第二电子系统托板，另一端安装有温度传感器、压力传感器和第二水密接头，所述第二电子系统托板设有采集单元CPU主控模块，所述第二水密接头外接电导率传感器。
优选的，所述采集单元CPU主控模块包括为采集单元电源模块、采集单元主控CPU、分别与采集单元主控CPU连接的开关选择电路、压力传感器驱动电路、以及采集单元CAN总线接口电路，所述开关选择电路分别与电导率传感器驱动电路、温度传感器驱动电路连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统提供了一种远距离，长时间无人值守监测水文情况的系统和方法，满足于面向深海、长期同步稳定的海上观测，海洋环境观测数据完整并具有科学性。为海洋技术装备的研制、海军建设和海洋防灾减灾预警提供有效的科学数据和有力支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统总体结构示意图；
图2为本发明海洋水文监测系统的模块结构示意图；
图3为本发明浮标本体内部结构示意图；
图4为本发明浮标单元CPU主控模块结构示意图；
图5为本发明采集阵列电缆结构示意图；
图6为本发明采集阵元结构示意图；
图7为本发明采集单元CPU主控模块结构示意图。
图中，1为岸基单元，2为数据采集单元，101为第一北斗通信终端，102为数据采集终端，103为数据库服务器，201为第二北斗通信终端，202为浮标本体，203为采集阵元，204为采集阵列电缆，205为重块，2021为供电组件，2022为第一电子系统托板，2023为天线罩，2024为浮体、2025为打捞环，2041为主缆、2042为支缆，2031为第一水密接头，2032为温度传感器，2033为压力传感器，2034为第二水密接头，2035为电导率传感器。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明提供的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，包括岸基单元1和数据采集单元2，所述岸基单元1设有第一北斗通信终端101，所述数据采集单元2设有第二北斗通信终端201，所述岸基单元1通过北斗卫星系统向所述数据采集单元2发送指令和接收采集数据，所述数据采集单元2包括浮标本体202和连接在浮标本体202下方的若干个采集阵元203，所述浮标本体202设有浮标单元CPU主控模块，所述采集阵元203设有采集单元CPU主控模块，所述浮标单元CPU主控模块向所述采集单元CPU主控模块发送指令和接收采集数据。本发明采用岸基单元1通过北斗卫星系统接收海上数据采集单元2传回的海洋水文数据，进行解码处理，根据需要显示和保存数据，数据采集单元2通过北斗卫星系统接收岸基单元1发送过来的指令或预先设定的时间周期工作，启动任务，由采集阵元203采集水位数据，实现长期无人值守情况下的远距离海洋水文的实时监测。其中，浮标单元CPU主控模块主要与第二北斗通信终端201通讯，接收岸基单元1指令和向岸基单元1发送数据；与采集单元CPU主控模块通讯，发送采集指令和接收数据。
所述岸基单元1包括第一北斗通信终端101、数据采集终端102和数据库服务器103，所述第一北斗通信终端101与所述数据采集终端102连接，所述数据采集终端102和所述数据库服务器103连接。所述岸基单元1由一台高性能计算机构成数据采集终端102，连接第一北斗通信终端101和高性能数据库服务器103，运行windows系统，安装基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，用于通过人机界面接受用户指令，给海上数据采集单元2发送指令，接收海上数据采集单元2传回的水文数据，通过人机界面显示和保存入数据库。数据库服务器103采用Mysql关系数据库，所述数据采集终端102通过ADO(ActiveXDataObjects)接口来访问数据库，数据库服务器103用于存放基于北斗卫星系统的海洋水文实时监测系统采集的水文数据。
参见图2，所述数据采集终端102运行海洋水文监测系统，所述海洋水文监测系统包括RS232收发模块、数据处理模块、自定义通信协议模块、数据管理模块、以及人机界面显示模块，在接收采集数据过程中：所述RS232收发模块将所述第一北斗通信终端101传输过来的数据，交由所述数据处理模块解码，再由所述自定义通信协议模块根据通信协议解包，最后由所述人机界面显示模块显示，且由所述数据管理模块根据管理需求写入所述数据库服务器103的数据库；在发送指令过程中：通过所述人机界面显示模块接收用户指令，将相应的指令通过所述自定义通信协议模块打包，再由所述数据处理模块编码，最后由所述RS232收发模块通过所述第一北斗通信终端101发送出去。所述海洋水文监测系统还包括网络服务模块、用户管理和登陆模块，所述网络服务模块分别与RS232收发模块、自定义通信协议模块和人机界面显示模块连接，所述用户管理和登陆模块与所述人机界面显示模块连接。所述网络服务模块、用户管理和登陆模块主要针对用户，用于远程用户通过网络登陆查看管理数据。海洋水文监测系统主要完成命令发送、数据接收、数据存储、实时数据显示、历史数据查询、系统管理、系统监控和数据库管理等功能。
参见图3和图4，所述浮标本体202为圆筒形状结构，浮标本体202内部设有供电组件2021和第一电子系统托板2022、顶部设有第二北斗通信终端201和天线罩2023、以及外围设有浮体2024，所述第一电子系统托板2022设有所述浮标单元CPU主控模块，所述浮标单元CPU主控模块与所述第二北斗通信终端201相连，所述第二北斗通信终端201置于所述天线罩2023内。所述浮标本体202顶部还可以装有打捞环2025。所述浮标单元CPU主控模块包括为浮标单元CPU主控模块供电的浮标单元电源模块、浮标单元主控CPU、分别与浮标单元主控CPU连接的RS232接口电路、浮标单元CAN总线接口电路、采集阵元供电控制电路、电池电量采集电路以及看门狗电路，所述RS232接口电路与所述第二北斗通信终端201相连。其中，看门狗电路负责在浮标单元CPU主控模块程序跑飞或死机的时候重新启动。电池电量模块用于监控海上数据采集单元2的电池电量，估算系统还能工作多长时间。浮标单元CAN总线接口电路与采集阵元203连接，发送和接收数据。采集阵元供电控制电路用于给采集阵元203提供电源。在其他实施例中，还可以由采集阵元203自己供电。
参见图5至图7，所述浮标本体202通过采集阵列电缆204连接所述采集阵元203，所述采集阵列电缆204为4芯电缆，其中2芯为供电电缆，2芯为CAN总线电缆。所述采集阵列电缆204包括主缆2041和支缆2042，所述支缆2042与所述采集阵元203连接。所述采集阵元203为圆筒形状结构，采集阵元203一端设有与所述支缆2042连接的第一水密接头2031，内部设有第二电子系统托板(图中未表示)，另一端安装有温度传感器2032、压力传感器2033和第二水密接头2034，所述第二电子系统托板设有采集单元CPU主控模块，所述第二水密接头2034外接电导率传感器2035。为了能够使采集阵元203在竖直方向上呈下挂方式，在所述采集阵列电缆204末端设置有一重块205。所述采集单元CPU主控模块包括为采集单元CPU主控模块供电的采集单元电源模块、采集单元主控CPU、分别与采集单元主控CPU连接的开关选择电路、压力传感器驱动电路、以及采集单元CAN总线接口电路，所述开关选择电路分别与电导率传感器驱动电路、温度传感器驱动电路连接。所述采集单元CAN总线接口电路与所述浮标单元CAN总线接口电路连接，发送采集数据。其中，压力传感器驱动电路用于驱动压力传感器2033和放大传感器输出信号；电导率传感器驱动电路用于驱动电导率传感器2035和放大传感器输出信号；温度传感器驱动电路用于驱动温度传感器2032和放大传感器输出信号。采集单元主控CPU有两路AD转换，其中一路负责压力传感器，另外一路负责温度传感器和电导率传感器，温度传感器和电导率传感器的信号不能同时采集，所述开关选择电路用于选择温度传感器或电导率传感器的信号进入AD转换。
本发明数据采集单元2负责采集布放海区的温度、盐度、深度等海洋水文数据，并通过北斗卫星系统向岸基单元1传输数据，实现长期无人值守情况下的远距离海洋水文的实时监测，海洋环境观测数据具有完整性和科学性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，包括岸基单元和数据采集单元，所述岸基单元设有第一北斗通信终端，所述数据采集单元设有第二北斗通信终端，所述岸基单元通过北斗卫星系统向所述数据采集单元发送指令和接收采集数据，所述数据采集单元包括浮标本体和连接在浮标本体下方的若干个采集阵元，所述浮标本体设有浮标单元CPU主控模块，所述采集阵元设有采集单元CPU主控模块，所述浮标单元CPU主控模块向所述采集单元CPU主控模块发送指令和接收采集数据。
2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述岸基单元包括第一北斗通信终端、数据采集终端和数据库服务器，所述第一北斗通信终端与所述数据采集终端连接，所述数据采集终端和所述数据库服务器连接。
3.根据权利要求2所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述数据采集终端运行海洋水文监测系统，所述海洋水文监测系统包括RS232收发模块、数据处理模块、自定义通信协议模块、数据管理模块、以及人机界面显示模块，在接收采集数据过程中：所述RS232收发模块将所述第一北斗通信终端传输过来的数据，交由所述数据处理模块解码，再由所述自定义通信协议模块根据通信协议解包，最后由所述人机界面显示模块显示，且由所述数据管理模块根据管理需求写入所述数据库服务器的数据库；在发送指令过程中：通过所述人机界面显示模块接收用户指令，将相应的指令通过所述自定义通信协议模块打包，再由所述数据处理模块编码，最后由所述RS232收发模块通过所述第一北斗通信终端发送出去。
4.根据权利要求3所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述海洋水文监测系统还包括网络服务模块、用户管理和登陆模块，所述网络服务模块分别与所述RS232收发模块、自定义通信协议模块和所述人机界面显示模块连接，所述用户管理和登陆模块与所述人机界面显示模块连接。
5.根据权利要求1所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述浮标本体内部设有供电组件和第一电子系统托板、顶部设有第二北斗通信终端和天线罩、以及外围设有浮体，所述第一电子系统托板设有所述浮标单元CPU主控模块，所述浮标单元CPU主控模块与所述第二北斗通信终端相连，所述第二北斗通信终端置于所述天线罩内。
6.根据权利要求1所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述浮标单元CPU主控模块包括为浮标单元CPU主控模块供电的浮标单元电源模块、浮标单元主控CPU、分别与浮标单元主控CPU连接的RS232接口电路、浮标单元CAN总线接口电路、采集阵元供电控制电路、电池电量采集电路以及看门狗电路，所述RS232接口电路与所述第二北斗通信终端相连。
7.根据权利要求1所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述浮标本体通过采集阵列电缆连接所述采集阵元，所述采集阵列电缆为4芯电缆，其中2芯为供电电缆，2芯为CAN总线电缆。
8.根据权利要求7所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述采集阵列电缆包括主缆和支缆，所述支缆与所述采集阵元连接。
9.根据权利要求8所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述采集阵元一端设有与所述支缆连接的第一水密接头，内部设有第二电子系统托板，另一端安装有温度传感器、压力传感器和第二水密接头，所述第二电子系统托板设有采集单元CPU主控模块，所述第二水密接头外接电导率传感器。
10.根据权利要求1所述的基于北斗卫星系统的海洋水文监测系统，其特征在于，所述采集单元CPU主控模块包括采集单元电源模块、采集单元主控CPU、分别与采集单元主控CPU连接的开关选择电路、压力传感器驱动电路、以及采集单元CAN总线接口电路，所述开关选择电路分别与电导率传感器驱动电路、温度传感器驱动电路连接。
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