CN107727082B - 一种实时监测浮标的模块化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时监测浮标的模块化系统，包括多个传感器、主系统数据采集模块以及电源模块，还包括数量与传感器相对应的数据处理单元，每个传感器分别通过不同的数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，电源模块分别与所有传感器、所有数据处理单元以及主系统数据采集模块电连接。本发明在主系统数据采集模块和传感器之间增加数据处理单元，加快了数据处理速度，同时也通过传感器和数据处理单元之间的模块化集成，主系统数据采集模块只需要采集数据，而不需要处理，而一般问题出现在数据处理过程中，出现问题时检修或更换数据处理单元或传感器即可，简化了检修步骤。

Description

一种实时监测浮标的模块化系统

技术领域

本发明涉及海洋浮标技术领域，具体涉及一种实时监测浮标的模块化系统。

背景技术

现有的浮标数据采集系统大部分是根据不同传感器的配置要求制作相应的系统箱。由于每套浮标所连接的传感器不一样，因此进行系统集成时，都需要重新定制不同的系统箱和重新编写检验系统的程序代码，这样一来费时又费力。目前在系统中使用的主系统数据采集模块大部分采用美国Campbell公司的CR1000数据采集器。该数据采集器主要特点是能在恶劣环境或是在电池供电不足的环境下进行精确测量，而且在主电源断电后，通过不需要主电源支持也能够保存数据以及自己运行的SRAM内存和时钟，可以确保数据、程序和准确时间等信息不会丢失，充分保证浮标系统数据的可持续性和安全性。现有浮标体内CR1000数据采集器可以采集和处理数字量和模拟量这两类传感器数据。数字量传感器可通过串行口或并行口，直接接收或发送单字节或多字节的数据，比如我们常用USB接口或RS-232接口传输数字量数据。浮标体上安装的数字量传感器包括二氧化碳传感器、超声波气象站、波浪传感器、温盐深传感器、声学多普勒海流剖面仪这五种。这些传感器需要传输的字节，少的10多个字节（比如波浪传感器），多的400字节（比如声学多普勒海流剖面仪）。浮标体上安装的模拟量传感器主要有四分量净辐射传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、风速仪、电子罗盘、雨量传感器等，一般通过测量这些模拟量传感器的电压电流，再转换单位即可获得测量数据，此类传感器需要传输的数据一般只占1-2个字节（比如大气压力传感器数据2个字节）。

浮标体内数据采集及处理模块CR1000通过输入供电单元供电后，定时输电给各个数字量传感器和模拟量传感器，并以一定的周期扫描各个端口。如果检测到数字端口的缓存区上有数据，CR1000就会判断该数据是否是完整正确的数据，并将正确的原始数据保存到存储卡内，同时进行相应加密处理。而对于模拟量数据，CR1000的模拟量检测端口会定期检测仪器输出的模拟信号，然后按照公式将模拟信号转换成直观的数据。最后CR1000会按照最初设定的时间间隔，定期将已经处理加密后的数据通过铱星或其他无线设备发送到岸站的服务器内。

这种由CR1000进行数据采集和处理的连接方法，造成CR1000内部系统臃肿，处理速度慢，灵活性不够。另外，在每次需要更改数据采集和处理方式时都要更改CR1000对数据的采集处理方式，然后要对整个系统进行联调，并检测CR1000内部程序在处理每个数据时是否有干扰。如果要维护仪器数据，除了要检查仪器本身，还要检查CR1000的接口，再检查CR1000内部数据采集处理程序，由于CR1000同时采集处理多个传感器数据，还要分析长时间运行后其它仪器的数据采集处理程序是否有影响，总之，现有的浮标数据采集系统给检修工作带来极大的不便。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种既能加快数据处理速度，也能方便检修的一种实时监测浮标的模块化系统。

针对上述技术问题，本发明是这样加以解决的：一种实时监测浮标的模块化系统，包括多个传感器、主系统数据采集模块以及电源模块，还包括数量与传感器相对应的数据处理单元，每个传感器分别通过不同的数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，电源模块分别与所有传感器、所有数据处理单元以及主系统数据采集模块电连接。

相比于现有技术，本发明在主系统数据采集模块和传感器之间增加数据处理单元，即安装在浮标上的各类传感器的数据接收处理由数据处理单元完成，将原有的传感器单元通过数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，主系统数据采集模块只是用来接收数据处理单元处理完成的端口数据，并将数据通过卫星发送出去，从而减少了主系统数据采集模块的工作量，让主系统数据采集模块留出更多的余力去更好地处理其它工作；每一个数据处理单元独立处理一种传感器，这样将每个传感器通过数据处理单元模块化之后，既方便安装调试，也方便维护检修，如果哪一部分传感器数据出现问题，只需要检测传感器本身和它对应的数据处理单元即可，不必要对整个系统进行联调，若检测发现传感器没有问题，那么直接更换数据处理单元即可，方便快捷，大大节约了系统检修所需时间，提高了工作效率；如果要更换其他类型的传感器，只需要更换对应的传感器及数据处理单元，而不需要检查修改主系统数据采集模块的端口和内置程序，方便快捷，同时也因为浮标漂浮在海洋中，而一般系统设在浮标内部，工作人员难以在海中对浮标内部进行检修，但是现在模块化后，如果问题在于外部的传感器及数据处理单元，那么对传感器及数据处理单元进行检修或更换即可，而不必对浮标内部的系统进行检修，灵活性强。

进一步地，多个传感器中包括一个以上的模拟量传感器和一个以上的数字量传感器，每个数字量传感器分别通过不同的数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，每个模拟量传感器分别与主系统数据采集模块电连接。只在主系统数据采集模块和数字量传感器之间增加数据处理单元，而对于模拟量传感器（传输字节少）还是直接与主系统数据采集模块电连接，即安装在浮标上的各类数字量传感器的数据接收处理由数据处理单元完成，将原有的数字量传感器单元通过数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，主系统数据采集模块只是用来接收数据处理单元处理完成的数字量传感器端口数据和模拟量传感器的数据，并将数据通过卫星发送出去，从而减少了主系统数据采集模块的工作量，让主系统数据采集模块留出更多的余力去更好地处理其它工作；每一个数据处理单元独立处理一种数字量传感器，这样将每个数字量传感器通过数据处理单元模块化之后，既方便安装调试，也方便维护检修，如果哪一部分数字量传感器数据出现问题，只需要检测数字量传感器本身和它对应的数据处理单元即可，不必要对整个系统进行联调，若检测发现数字量传感器没有问题，那么直接更换数据处理单元即可，方便快捷，大大节约了系统检修所需时间，提高了工作效率；如果要更换其他类型的数字量传感器，只需要更换对应的数字量传感器及数据处理单元，而不需要检查修改主系统数据采集模块的端口和内置程序，方便快捷，同时也因为浮标漂浮在海洋中，而一般系统设在浮标内部，工作人员难以在海中对浮标内部进行检修，但是现在模块化后，如果问题在于外部的数字量传感器及数据处理单元，那么对数字量传感器及数据处理单元进行检修或更换即可，而不必对浮标内部的系统进行检修，灵活性强。

进一步地，所述数据处理单元包括进制转换单元，进制转换单元用于将传感器数据向高进制转换。

通过向高进制转化，使得传输数据所需的字节量减少，降低了所要传输的数据量，加快了数据传输速度。

进一步地，所述数据处理单元包括标识单元，标识单元用于在传感器数据中加入标识符。

这样设置能够方便获知数据所对应的传感器，便于检修以及便于了解到所检测的是哪种数据。

进一步地，所述数据处理单元为单片机。

进一步地，所述主系统数据采集模块为CR1000。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）通过增加数据处理单元对传感器进行数据处理，在传感器数据出现问题时，只需要检修对应的传感器及数据处理单元，或者在需要更换其他类型的传感器时，只需要更换对应的传感器及数据处理单元，而不需要检查修改主系统数据采集模块的端口和内置程序，极大地减少了检修和更换的工作量，便利性好。

（2）通过增加数据处理单元来减少主系统数据采集模块的工作量，使得传感器数据的传输速度大大加快。

附图说明

图1是本专利的模块结构图。

图2是本专利数据处理单元的工作流程图。

具体实施方式

下面根据具体实施例及附图对本发明进行详细地说明。

如图1所示的一种实时监测浮标的模块化系统，包括多个传感器、主系统数据采集模块以及电源模块，还包括数量与传感器相对应的数据处理单元，每个传感器分别通过不同的数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，电源模块分别与所有传感器、所有数据处理单元以及主系统数据采集模块电连接。

多个传感器中包括一个以上的模拟量传感器和一个以上的数字量传感器，每个数字量传感器分别通过不同的数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，每个模拟量传感器分别与主系统数据采集模块电连接。

所述数据处理单元包括：

进制转换单元，用于将传感器数据向高进制转换；

标识单元，用于在传感器数据中加入标识符。

通过向高进制转化，使得传输数据所需的字节量减少。加入标识符能够方便获知数据所对应的传感器，便于检修以及便于了解到所检测的是哪种数据。

具体实施过程中，数据处理单元为51单片机，多个传感器可分别为：

（1）数字量传感器，包括二氧化碳传感器（型号SAMII-CO2，公司Sunburst Sensors生产）、超声波气象站（型号200WX，公司AIRMAR生产）、波浪传感器（型号TRIAXYS，公司AXYS生产）、温盐深传感器（型号SBE37-SM，公司SEA-BIRD生产）以及声学多普勒海流剖面仪（型号WorkHorse ADCP，公司Teledyne RD Instruments生产）等；

（2）模拟量传感器，包括四分量净辐射传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、风速仪、电子罗盘、雨量传感器等。

如图2所示，数据处理单元的工作原理为：

S1、通过中断请求接收传感器数据；

S2、判断接收到的数据是否完整，若否则返回步骤S1；

S3、从接收到的数据中截取有效数据；

S4、将有效数据通过进制转换单元转换为十六进制；

S5、通过标识单元在有效数据中添加标识符，并将有效数据传送到主系统数据模块。

各个数据处理单元对应数字量传感器的数据读取方法：

1）二氧化碳传感器，输出的数据是以*符号开始，固定数据长度为81个字节。数据处理单元先判断接收的数据长度是否为81字节，然后判读首字节是否是*符号。如果数据正确，开始按照每个字节所代表的含义，截取需要的部分，例如当需要温度值时，而数据串中温度值是在第75到78位的字节里，就把数据串中的第75到78位字节的数据截取出来，然后通过进制转换单元转换成十六进制数。所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$09”，最后发送给主系统数据采集模块。

2）超声波气象站，每间隔1秒一次性输出大概280个字节量，这些数据中包含几种类型的数据，每一种类型的数据都是以$开始，回车换行符结束。因此数据处理单元先判断接收到的数据量是否大于270个字节，然后找到需要的数据类型，再从该类型的数据串中截取需要的数据。例如，当需要温度数据时，而温度数据是在$WIMDA类型的数据串内，因此首先在接收到数据中找到$WIMDA类型的数据串，然后以“，”为分隔标志分开$WIMDA数据串内的每个参数。由于第5个参数是温度值，所以截取第5个参数作为温度值，然后通过进制转换单元将该值转成十六进制数。所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$06”，最后发送给主系统数据采集模块。

3）波浪传感器，是需要上位机发送命令给仪器，仪器才工作，才能获取数据。在波浪传感器上电后，数据处理单元先判断接收到的数据是否有“……”，如果有就发送命令“！R20”加回车键到仪器，仪器接收到命令就开始工作20分钟。仪器工作完之后，数据处理单元就判断接收到的数据是否有“******”，如果有就发送命令“~MWA”加回车键到仪器，仪器收到命令后就将波浪数据发送给数据处理单元,其中“~”符号实际上表示问号。波浪数据是以“$”开始，回车换行符结束，因此数据处理单元先判断是否有“$”和接收到回车换行符，如果有则以“，”为分隔标志分开波浪数据串内的各个参数。然后把需要的参数截取出来，再通过进制转换单元转成十六进制数。所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$02”，最后发送给主系统数据采集模块。

4）温盐深传感器，以回车换行符结尾，数据串字节量大概60字节。因此数据处理单元先判断回车换行符来决定数据串是否接收完，如果数据串接收完，再判断该数据串是否大于50字节。最后在数据串内以“，”为分隔标志分开温盐深数据串内的各个参数。然后把需要的参数截取出来，再通过进制转换单元转成十六进制数。所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$04”，最后发送给主系统数据采集模块。

5）声学多普勒海流剖面仪，输出的数据以“7F7F”开始，固定字节量754个字节。因此数据处理单元先判断接收到的数据是否大于753个字节，然后“7F7F”的位置。最后截取需要的数据，例如海流数据在该数据串内的第142位到381位，把这部分数据截取出来再通过进制转换单元转成十六进制。所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$05”，最后发送给主系统数据采集模块。

本发明在主系统数据采集模块和传感器之间增加数据处理单元，即安装在浮标上的各类传感器的数据接收处理由数据处理单元完成，将上述数据量较大的5类数字量传感器通过数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，主系统数据采集模块只是用来接收数据处理单元处理完成的端口数据，并将数据通过卫星发送出去，从而减少了主系统数据采集模块的工作量，让主系统数据采集模块留出更多的余力去更好地处理其它工作。且每一个数据处理单元独立处理一种数字量传感器，这样将每个数字量传感器通过数据处理单元模块化之后，既方便安装调试，也方便维护检修，如果哪一部分数字量传感器数据出现问题，只需要检测数字量传感器本身和它对应的数据处理单元即可，不必要对整个系统进行联调，若检测发现数字量传感器没有问题，那么直接更换数据处理单元即可，方便快捷，大大节约了系统检修所需时间，提高了工作效率，在实际的测试中，如果将实施例中提到的数字量传感器直接与主系统数据采集模块连接，由主系统数据采集模块来处理所有的传感器数据，那么最快也需要两秒左右，而本实施例只需0.3秒，其中数据处理单元处理传感器数据的时间仅为0.1秒，数据处理单元将传感器数据传输到主系统数据采集模块只需要大约0.8微秒；如果要更换其他类型的数字量传感器，只需要更换对应的数字量传感器及数据处理单元，而不需要检查修改主系统数据采集模块的端口和内置程序，方便快捷，同时也因为浮标漂浮在海洋中，而一般系统设在浮标内部，工作人员难以在海中对浮标内部进行检修，但是现在模块化后，如果问题在于外部的数字量传感器及数据处理单元，那么对数字量传感器及数据处理单元进行检修或更换即可，而不必对浮标内部的系统进行检修，灵活性强。

Claims (3)

1.一种实时监测浮标的模块化系统，包括多个传感器、主系统数据采集模块以及电源模块，其特征在于，还包括数量与传感器相对应的数据处理单元，每个传感器分别通过不同的数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，电源模块分别与所有传感器、所有数据处理单元以及主系统数据采集模块电连接；多个传感器中包括一个以上的模拟量传感器和一个以上的数字量传感器，每个数字量传感器分别通过不同的数据处理单元与主系统数据采集模块电连接，每个模拟量传感器分别与主系统数据采集模块电连接，所述数字量传感器包括二氧化碳传感器、超声波气象站、波浪传感器、温盐深传感器以及声学多普勒海流剖面仪；

所述数据处理单元包括进制转换单元和标识单元，进制转换单元用于将传感器数据向高进制转换，标识单元用于在传感器数据中加入标识符；

多个所述数字量传感器的工作方法如下：

所述二氧化碳传感器输出的数据是以*符号开始，固定数据长度为81个字节，数据处理单元先判断接收的数据长度是否为81字节，然后判读首字节是否是*符号，如果数据正确，开始按照每个字节所代表的含义，截取需要的部分，当需要二氧化碳传感器的温度值时，把数据串中的第75到78位字节的数据截取出来，然后通过进制转换单元转换成十六进制数，所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$09”，最后发送给主系统数据采集模块；

所述超声波气象站每间隔1秒一次性输出大概280个字节量，这些数据中包含几种类型的数据，每一种类型的数据都是以$开始，回车换行符结束，数据处理单元先判断接收到的数据量是否大于270个字节，然后找到需要的数据类型，再从该类型的数据串中截取需要的数据，当需要超声波气象站的温度数据时，首先在接收到数据中找到$WIMDA类型的数据串，然后以“，”为分隔标志分开$WIMDA数据串内的每个参数，截取第5个参数，然后通过进制转换单元将该值转成十六进制数，所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$06”，最后发送给主系统数据采集模块；

所述波浪传感器对应的数据处理单元先判断接收到的数据是否有“……”，如果有就发送命令“！R20”加回车键到波浪传感器，波浪传感器接收到命令就开始工作20分钟，工作完之后，数据处理单元就判断接收到的数据是否有“******”，如果有就发送命令“～MWA”加回车键到波浪传感器，波浪传感器收到命令后就将波浪数据发送给数据处理单元,波浪数据是以“$”开始，回车换行符结束，数据处理单元先判断是否有“$”和接收到回车换行符，如果有则以“，”为分隔标志分开波浪数据串内的各个参数，然后把需要的参数截取出来，再通过进制转换单元转成十六进制数，所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$02”，最后发送给主系统数据采集模块；

所述温盐深传感器以回车换行符结尾，数据串字节量大概60字节，数据处理单元先判断回车换行符来决定数据串是否接收完，如果数据串接收完，再判断该数据串是否大于50字节，最后在数据串内以“，”为分隔标志分开温盐深数据串内的各个参数，然后把需要的参数截取出来，再通过进制转换单元转成十六进制数，所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$04”，最后发送给主系统数据采集模块；

所述声学多普勒海流剖面仪输出的数据以“7F7F”开始，固定字节量754个字节，数据处理单元先判断接收到的数据是否大于753个字节，然后判断“7F7F”的位置，最后截取需要的数据，海流数据在该数据串内的第142位到381位，把这部分数据截取出来再通过进制转换单元转成十六进制，所有的数据截取转换后，通过标识单元在这数据前加上仪器标识符“$05”，最后发送给主系统数据采集模块。

2.根据权利要求1所述的一种实时监测浮标的模块化系统，其特征在于，所述数据处理单元为单片机。

3.根据权利要求1所述的一种实时监测浮标的模块化系统，其特征在于，所述主系统数据采集模块为CR1000。