CN107990880A - 海洋生态监测浮标装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋生态监测浮标装置，尤其涉及一种具备图像采集功能的海洋生态监测浮标装置，属于海洋生态监测技术领域。其结构包括浮标母体、浮标子体及锚固定装置，所述锚固定装置为悬索结构，所述浮标母体下端与悬索的上端相连，所述浮标子体安设在悬索上，并可沿悬索上下移动，所述浮标母体与浮标子体之间通过数据通信线路进行浮标母体与浮标子体之间的数据传输，所述浮标母体通过卫星数据通信模块与远程基站的数据进行传输。由于本发明浮标母体和浮标子体采用分体结构，并通过浮标子体在悬索上的上下运动，以便采集海洋中不同深度的各种监测数据，以实现对不同水深下各海洋生态参数信息的采集，并可以进行实时数据传输。

Description

海洋生态监测浮标装置
技术领域
本发明涉及一种海洋生态监测浮标装置，尤其涉及一种具备图像采集功能的海洋生态监测浮标装置，属于海洋生态监测技术领域。
背景技术
海洋生态监测浮标的作用是利用浮标对海洋生态环境进行监测，海洋生态一般包括海洋生物之间及海洋生物与其海洋环境之间的相互关系。由于海洋中有着种类繁多的海洋生物，每年为人类提供大量资源。但是海洋又是变幻莫测的地方，为了对海洋进行了解，人们在沿海和海岛上建立了海洋观测站，测量波高、海流、海温、潮位、风速、气压等水文气象要素，掌握了这些资料，将会给人们带来更多的便利。例如，了解大风大浪区域，航海时便可避之而行；了解海流流向，航海时便尽可能的顺之而行，以节约航海时间和能源消耗；了解潮位的异常升高，便可及时防备突发事件，力图在灾害发生时将损失降至最低限度。
而海洋生态监测浮标通常是以锚定在海上，通过众多的监测浮标组成海洋水文气象自动观测站。通过浮标可以按要求长期、连续地为海洋科学研究、海上石油(气)开发、港口建设和国防建设收集所需海洋水文气象资料，特别是能收集到调查船难以收集的恶劣天气及海况的资料。
目前，海洋生态监测的浮标装置一般采用在悬索上间距性的拖拽多个相同传感器来实现针对不同水深的海洋生态信息的检测，只是这种浮标装置铺设成本比较高、并且难以维护、耗电量也较大，而且这种浮标装置需要固定在相应测试点上，难以实现对一定深度内海洋生态信息进行立体、且连续的监测。
海洋生物的图像采集一直是研究海洋生物习性、海洋物种情况等科研、经济领域的重要组成部分，但是目前海洋生物拍摄技术的不足主要体现在无法在拍摄前对目标生物进行有效定位，在拍摄过程中无法对目标生物进行有效跟踪特写，在拍摄后难以对有效图像信息进行传输。如何全面高效的实现对特定海域内不同水深下海洋生态信息的检测、并能有目标性及目的性的实现水下海洋生物的识别与拍摄成为了生态监测浮标设计的重点与难点。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的传统海洋生态监测浮标装置中传感器铺设冗余、采样数据固化、图像采集实用性不足等问题，而提供一种海洋生态监测浮标装置，该浮标装置能对不同水深海洋生态信息进行采集、可实现水下海洋生物动态跟踪并拍摄、并进行实时数据传输的分离式海洋生态监测浮标装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的:一种海洋生态监测浮标装置，包括浮标母体、浮标子体及锚固定装置，所述锚固定装置为悬索结构，所述浮标母体下端与悬索的上端相连，所述浮标子体安设在悬索上，并可沿悬索上下移动，所述浮标母体上设有母体数据处理模块，所述浮标子体上设有子体数据处理模块，所述母体数据处理模块与子体数据处理模块之间通过总线接口进行浮标母体与浮标子体之间的数据传输，所述母体数据处理模块通过卫星通信模块与远程基站的数据进行传输；所述浮标母体的上表面设有太阳能充电装置，并通过供电线路与浮标子体相连，并对浮标子体供电，所述浮标子体上设有摄像头。
优选地，所述浮标母体上设有LED灯、浮标母体温度传感器及气象站模块，所述母体数据处理模块用于控制太阳能供电、控制LED灯、采集浮标母体温度传感器信息及气象站模块相关数据信息的采集，并把采集的并把数据信息存储到浮标母体的存储卡上。
优选地，所述气象站模块包括风速检测、风向检测、气温检测、气压检测中的一种传感器或多种传感器。
优选地，所述浮标母体的中部圆周设有突起。
优选地，所述浮标子体由中间旋转平台及置于旋转平台上、下两边的上平台和下平台组成，所述上平台和下平台与旋转平台之间通过环形蜗槽相连，所述浮标子体的中部为中空结构，浮标子体通过中空结构套设在悬索上，并在多个电机模块控制下沿悬索上下移动。
优选地，所述摄像头设置在旋转平台的侧面，所述摄像头外部安装有透明罩体；所述旋转平台上设有与摄像头相连的第一电机，所述第一电机控制摄像头在垂直面上180 度转动。
优选地，所述旋转平台的上下两面对称设有第二电机组，所述第二电机组为旋转同步电机以控制旋转平台绕悬索水平旋转；所述浮标子体中空结构的内侧壁上设有第三电机组，所述第三电机组为控制同步电动带动浮标子体在悬索上下移动，所述悬索的中下部设有阻止浮标子体向下运动的固定突起。
优选地，所述浮标子体上设有声纳探测模块、水质检测模块、水养探测模块、水质氨氮盐检测模块及浮标子体舱体温度检测传感器；所述子体数据处理模块用于实现对声纳探测模块、水质检测模块、水养探测模块、水质氨氮盐检测模块、子体浮标温度传感器的数据进行采集。
优选地，所述子体数据处理模块通过声纳探测模块数据的采集，对第一电机、第二电机组和第三电机组进行控制，对视频模块的数据进行采集。
优选地，所述水质检测模块包括检测温度、酸碱度、溶解氧、电导率、浊度的传感器；所述水养探测模块包括集成有叶绿素a及蓝绿藻探测传感器；所述水质氨氮盐检测模块包括集成有磷酸盐PO4及氨氮NH3传感器模块。
本发明的有益效果，由于本发明浮标母体和浮标子体采体分体结构，并通过控制浮标子体在悬索上的上下运动，以采集海洋中的不同深度的各种监测数据，以实现对不同水深下各海洋生态参数信息的采集，并可以进行实时数据传输。
由于浮标子体上设有三自由度旋转及移动的摄像头，本发明利用声纳探测模块数据的采集，可以根据海洋生物的位置，控制电机的运动方向，从而通过控制电机以操控摄像头实现对相关生物的跟踪拍摄。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明海洋生态监测浮标装置结构示意图。
图2为本发明浮标子体结构示意图。
图3为本发明控制浮标子体运动的结构示意图。
图4为本发明浮标子体中的旋转平台与上平台连接结构示意图。
图5为本发明海洋生态监测浮标装置控制结构框图。
图6为本发明浮标母体电路结构图。
图7为本发明浮标子体电路结构图。
附图标号说明：1-浮标母体；2-浮标子体；3-锚固定装置；31-悬索；4-供电线路；5-数据通信线路；11-环形突起；100-母体数据处理模块；101-卫星数据通信模块；102- 太阳能充电装置；103-气象站模块；103A-风速传感器；103B-风向传感器；103C-气温传感器；103D-气压传感器；104-支架；105-LED灯；106-浮标母体温度检测传感器； 107-存储卡；108-太阳能板；109-稳压模块；110-蓄电池；21-上平台；22-旋转平台； 23-下平台；24-平面轴承；25-蜗轮；200-子体数据处理模块；201-摄像头；202-透明罩体；203-第一电机；204-第二电机组；204A-电机；204B-电机；204C-电机；204D-电机；205-第三电机组；205A-电机；205B-电机；205C-电机；205D-电机；206-声纳探测模块；207-水质检测模块；207A-温度传感器；207B-酸碱度传感器；207C-溶解氧传感器；207D-电导率传感器；207E-浊度传感器；208-水养探测模块；208A-叶绿素a探测传感器；208B-蓝绿藻探测传感器；209-水质氨氮盐检测模块；209A-磷酸盐PO9传感器；209B-氨氮NH3传感器；210-浮标子体舱体温度检测传感器；301-固定突起。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明如下：
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的海洋生态监测浮标装置具体实施方式、方法、步骤、结构、特征及其功效，详细说明如下。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效,在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明之用,并非用来对本发明加以限制。
如图1所示，为本发明的海洋生态监测浮标装置结构示意图，其装置结构包括浮标母体1、浮标子体2及锚固定装置3，所述锚固定装置3采用悬索结构，所述悬索31的上端与浮标母体1下方固定，悬索31的下端为铁脚，铁脚在浮标母体1轻移时抓住水底的岩石或泥沙从而使浮标母体1在海洋中不会飘移，所述浮标子体2置于浮标母体1 的下方，并套设在悬索31上，所述浮标子体2可在悬索31上下移动。
所述浮标母体1为扁平的圆柱形结构，其内部为中空的舱体，下表面为弧形结构，浮标母体1的外部中间设有环形突起11，此环形突起11相当于船舶中舭龙骨的作用，通过环形突起11对浮标母体1在海洋中起到加强耐波性和稳定性的作用，可以有效降低浮标母体1在海洋中的横摇和纵摇的现象，具体地说，环形突起11对浮标母体1起到维稳及减少摇动的作用。使用时浮标母体1的中上部露出水平面，如图1所示。
所述浮标母体1上设有母体数据处理模块100，所述浮标子体2上设有子体数据处理模块200，所述母体数据处理模块100与子体数据处理模块200之间通过数据通信线路5使浮标母体1与浮标子体2之间进行数据传输。
所述浮标母体1上表面设有的卫星数据通信模块101，所述母体数据处理模块100通过卫星数据通信模块101与远程基站的数据进行传输，用以完成浮标母体1内数据信息的远程传输。
所述浮标母体1的上表面设有太阳能充电装置102，所述太阳能充电装置102为设置在浮标母体1上表面的太阳能板108，本实施例中太阳能板设置为两个，采用对称设置；当然，所述太阳能板也可以为多个，具体需要太阳能板108的数量和太阳能板108 的面积可以由耗电量及工作环境的日照情况来决定。
所述浮标母体1的上表面上设有气象站模块103，所述气象站模块103通过支架104安设在浮标母体1的上表面，所述气象站模块103上集成有风速103A、风向103B、气温103C、气压103D传感器模块。以便时时地对当时环境进行风速、风向、气温及气压进行检测。
所述浮体母体1的上方还设有LED灯105，用以在夜晚提示航行船舶进行避让。在浮标母体1的下方也设有多个LED灯105，主要用于在水中提供光源，此实施例采用了两个LED灯，但并不局限于采用两个，可以根据实际需要进行设置。
在浮标母体1上还设有浮标母体温度检测传感器106，可以时时对浮标母体1的舱内温度进行检测。
所述浮标母体1上设有的母体数据处理模块100用于控制太阳能供电、控制LED灯105、采集浮标母体温度传感器106信息及气象站模块103相关数据信息的采集，并把采集的数据信息存储到浮标母体1的存储卡107上。所述浮标母体1的上表面还设有SD 存储卡107的插口，通过该SD存储卡107可以存储各传感器信息及摄像头拍摄的图像文件，SD存储卡107将在浮标定期维护期间回收与重置。
所述太阳能板108通过供电线路4与浮标子体2相连，并对浮标子体2供电。具体来说，所述浮标子体2通过供电线路4从浮标母体1处获取电能。
所述浮标子体2为由三段扁平的圆柱形结构组成，如图2所示，具体来说，所述浮标子体2由上平台21、旋转平台22及下平台23组成，所述旋转平台22置于中间位置，上平台21和下平台23分别置于旋转平台22的上、下两面，且旋转平台22的半径大于上平台21和下平台23的半径。
所述上平台21与旋转平台22之间通过平面轴承24相连，所述下平台23与旋转平台22之间一样通过平面轴承24相连，或者通过类似平面轴承的结构相连，如图4所示；所述上平台21与下平台23结构相同，对称放置在旋转平台22的上、下两面。具体来说，所述上平台21的下表面及下平台23的上表面均设有环形槽，在环形槽内安装在第二电机组204，所述第二电机组204对称设置旋转平台22的上下两面，以驱动旋转平台进行水平旋转。
所述浮标子体2的垂直方向的中部为中空结构，浮标子体2的轴向通过中空结构套设在悬索31上，并可在悬索31上下移动。
如图2及图3所示，所述旋转平台22的侧面设有摄像头201，所述摄像头201外部安装有透明罩体202，所述透明罩体202主要用于防水，由于浮标子体2处于水平面上，通过摄像头201外部的透明罩体202可以有效保护摄像头201。所述摄像头201可以三自由度转动，具体结构如下：
所述旋转平台22上设有与摄像头201相连的第一电机203，所述第一电机203用于控制摄像头201在垂直面上180度转动。具体地说，第一电机203用以控制摄像头201 沿垂直面俯仰转动，即在XoZ平面上可以180度转动，其转动角用α表示。
所述旋转平台22的上下两面对称设有第二电机组204，所述第二电机组204为上下各两个电机，分别为电机204A、电机204B、电机204C、电机204D，各电机为旋转同步电机，第二电机组中的各电机分别与蜗轮25连接，通过第二电机组204的正反转带动蜗轮25做顺时针/逆时针转动，以控制旋转平台22绕悬索31作水平旋转运动；使旋转平台22水平绕Z轴，即悬索31转动，转动角用γ表示。
所述浮标子体2中空结构的内侧壁上设有第三电机组205，所述第三电机组为205为对称分布的四个电机，分别为电机205A、电机205B、电机205C、电机205D，电机驱动的齿轮对称设置悬索3的侧面，从而带动浮标子体2做浮浅运动，所述第三电机组205 为同步运动，控制同步电动带动浮标子体2在悬索31上下移动，即带动浮标子体2沿Z 轴上下运动，运动距离用z表示。
通过上述各电机的配合，摄像机201的运动轨迹可表示为(R cosγ，R sinγ，z)其中，电阻R为摄像头201的旋转半径，其拍摄的角度范围可大致表示为，水平XoY平面 (β+γ，γ-β)，垂直YoZ平面(β+α，β-α)，其中β为摄像头初始的拍摄范围。
所述悬索31上设有固定突起301。如图1中所示，H1指浮标母体1在静水中漂浮的高度，即水深，H2为浮标子体2的最大可探测距离，H3为当前浮标已探测距离，数据通信线路5及供电线路4的长度大于H2的长度。
所述浮标子体2上设有声纳探测模块206、水质检测模块207、水养探测模块208、水质氨氮盐检测模块209及浮标子体舱体温度检测传感器；所述子体数据处理模块201 用于实现对声纳探测模块、水质检测模块、水养探测模块、水质氨氮盐检测模块、子体浮标温度传感器的数据进行采集。
所述水质检测模块207上集成有温度207A、酸碱度207B、溶解氧207C、电导率207D、浊度207E传感器模块。
所述水养探测模块208上集成有叶绿素a208A及蓝绿藻208B探测传感器。
所述水质氨氮盐检测模块209上集成有磷酸盐PO9(209A)及氨氮NH3(209B)传感器模块。
所述子体数据处理模块201通过声纳探测模块数据的采集，对第一电机203、第二电机组204和第三电机组205进行控制，对视频模块的数据进行采集。
如图4为海洋生态监测浮标装置控制结构框图，其中电源管理模块通过对太阳能板 10813输出电压进行整流实现对蓄电池110的充电(图中未示)，蓄电池通过稳压模块109为母体数据处理模块提供12V电压。母体数据处理模块100位于浮标母体1上，用于控制太阳能供电、控制LED灯105、采集浮标母体温度传感器106信息及气象站模块 103相关数据信息的采集、通过北斗卫星数据通信模块101与远程终端进行数据传输。
通过子体数据处理模块中的电机控制模块，对各个电机进行控制。具体来说，当声纳探测模块206检测到水生物在下方时,则电机控制模块就会发出命令，使电机开始运作，驱动浮标子体去接触水生物，进行数据的采集。首先电机控制模块C就会发出命令，使电机205A和205B发生顺时针转动，而电机205C和205D发生逆时针旋转，这样浮标子体就开始向下运动。同时当接近水生物过程中，声纳探测模块206也会反馈给子体数据处理模块，然后传递给电机控制模块B，电机控制模块B会发出命令，使电机204B 和电机204C同时发生顺时针或者逆时针旋转，而电机204A和204D与之相反。将旋转体22进行微调保持摄像头跟踪者水生物。而且也会传递给电机控制模块A，电机控制模块A同样也会发出命令，将驱动第一电机203转动，摄像头203发生转动，去拍摄水生物，收集水下相关信息。
如图5所示为浮标母体的电路结构图。通过以下电路控制浮标母体进行工作，具体如下：本发明的总输入电压为VIN，其电压值为12V。
U2采用7805三端稳压集成电路，是一种降压芯片，具体连接结构如下：其管脚1 与VIN相连，管脚3为输出电压端、其电压值为+5V，管脚4接地GND。在VIN与接地 GND之间并联接有电容C23(470uF)和电容C22(0.1uF)的两端，在+5V与GND之间并联接有电容C21(470uF)、电容C20(0.1uF)的两端。
U3为TPS75733电压调节器，其管脚1与管脚3接GND、管脚4端产生+3.3V电压 VCC。电阻R4(10kΩ)两端分别接U3管脚5及VCC。电容C32(1uF)和电容C33(100uF) 起降噪作用其两端分别接于+5V与GND之间，电容C31(1uF)、C30(10uF)起降噪作用，其两端分别接于U3管脚2与GND之间。电容C28(1uF)、电容C29(100uF)起降噪作用，其两端分别接于VCC与GND之间。电感L01的两端分别接+5V及U3的管脚2。
U4为SPX1117M3-1.8稳压器，其管脚3接+5V，管脚1接GND，管脚2端产生1.8V 电压。电容C26(0.1uF)和电容C27(100uF)起降噪作用，其两端分别接于1.8V与GND 之间。1.8V电压经过电感L1一端，其另一端记为VDDA1.8V，VCC电压经过电感L2一端，其另一端记为VDDA3.3V，GND经过电感L3一端，其另一端记为AGND，+5V电压经过电感L0一端，其另一端记为VDDA5V。
U1为TMS320F2808数字信号处理器，其管脚3、46、65、82及96接VCC，管脚10、 42、59、68、85、93接1.8V，管脚2、11、41、49、55、62、69、77、87、89、94接 GND；在管脚86及管脚88之间接有Y11，Y11为20MHz石英晶振；在U1管脚88及GND 之间接有电容C12(24pF)；在U1管脚86及GND之间接有电容C13(24pF)；U1管脚90 接GND。
CN31为14针JTAG接口，其引脚1与U1管脚74连接，其引脚2与U1管脚84连接，其引脚3与U1管脚73连接，其引脚7与U1管脚76连接，其引脚9与U1管脚75连接，其引脚11与U1管脚75连接，其引脚13与U1管脚80连接，其引脚14与U1管脚81 连接，其引脚4、8、10、12均接GND，其引脚5接VCC。电阻R12(4.7kΩ)两端分别接U1管脚81及VCC、电阻R1(4.7kΩ)两端分别接U1管脚80及VCC、电阻R3(2.2k Ω)两端分别接U1管脚84及GND。电容C14(0.1uF)两端分别接U1管脚26及接地参考点AGND。U1管脚26与管脚15接VDDA3.3V。U1管脚25、14、13、39均接于AGND。 U1管脚12与管脚40接于VDDA1.8V。电容C15(0.1uF)和电容C16(0.1uF)两端分别接于VDDA1.8V及AGND之间。电阻R42(10kΩ)两端分别接于VCC与U1管脚78之间。电容C24(0.1uF)两端分别接于GND与U1管脚78之间。电容C25(22uF)两端分别接于GND与U1管脚78之间。按键KEY1两端分别接于GND与U1管脚78之间。电容C17 (2.2uF)两端分别接AGND与U1管脚37。电容C16(2.2uF)两端分别接AGND与U1管脚36。电阻R11(22.1kΩ)两端分别接AGND与U1管脚38。U1管脚24接AGND。
电容C1(0.1uF)、电容C2(0.1uF)、电容C3(0.1uF)、电容C4(0.1uF)、电容C5(0.1uF)、电容C6(0.1uF)为降噪电容其两端均接于VCC与GND之间。电容C7(0.1uF)、 C8(0.1uF)、C9(0.1uF)、C10(0.1uF)、C11(0.1uF)、C35(0.1uF)为降噪电容其两端均接于1.8V与GND之间。
D1为发光二极管，其正极接VIN，负极接三极管Q1的集电极。电阻R28(1kΩ)的两端分别接U1管脚47及三极管Q1的基极。电阻R29(10kΩ)的两端分别接三极管Q1 的发射极和GND。D2为发光二极管，其正极接VIN，负极接三极管Q2的集电极。电阻 R30(1kΩ)的两端分别接U1管脚44及三极管Q2的基极。电阻R31(10kΩ)的两端分别接三极管Q2的发射极和GND。D3为发光二极管，其正极接VIN，负极接三极管Q3的集电极。电阻R32(1kΩ)的两端分别接U1管脚45及三极管Q3的基极。电阻R33(10k Ω)的两端分别接三极管Q3的发射极和GND。
U5为ADR421ARM电压基准源芯片，其管脚2接+5V。电容C19(10uF)及电容C18(0.1uF)两端分别接于U5管脚2与GND之间。U5管脚4接GND。U5管脚6产生基准电压记为VREF。U5管脚4与管脚6之间接电容C17(0.1uF)。U5管脚6与U1管脚35连接。
CN0为母体浮标舱体温度采集电路接口，本发明的温度采集电路采用三线制PT100实现，CN0的3管脚对应三线制的GND。
U6为AD7551运算放大器，其管脚7接+5V，管脚4接AGND。电阻R36(3kΩ)两端分别接U5管脚6及CN0管脚1。电阻R35(3kΩ)一端接U5管脚6，其另一端与电阻 R37(200Ω)的一端及电阻R39(1kΩ)的一端同时连接。在此基础上，电阻R37(200 Ω)的空闲端接CN0管脚2，电阻R39(1kΩ)的空闲端接U6管脚3。电阻R38(1kΩ) 两端分别接CN0管脚1及U6管脚2。电阻R40(30kΩ)两端分别U6管脚3及AGND。电阻R34(30kΩ)两端分别接U6管脚2及管脚6。电阻R41(1kΩ)两端分别接U6管脚 6及U1管脚23。ZD1为1N4733，其反向接于U1管脚23与AGND之间。电容C34(0.1uF) 两端接于U1管脚23与AGND之间。
CN1为气象站模块103接口，其管脚1接VIN、管脚2至5分别接风速(S1A)、风向(S1B)、气温(S1C)、气压(S1D)传感器模块的模拟电压信号输出、管脚6接AGND。 U7为AD7554运算放大器，其管脚4接+5V，管脚11接AGND，管脚1、7、8、14分别接 U1管脚22、21、20、19。电阻R12(30kΩ)两端分别接U7管脚5及AGND。电阻R13 (20kΩ)两端分别接U7管脚5及CN1管脚3。电阻R14(10kΩ)两端分别接U7管脚6 及AGND。电阻R15(1kΩ)两端分别接U7管脚6及U7管脚7。电阻R16(30kΩ)两端分别接U7管脚10及AGND。电阻R17(20kΩ)两端分别接U7管脚10及CN1管脚4。电阻R18(10kΩ)两端分别接U7管脚9及AGND。电阻R19(1kΩ)两端分别接U7管脚8及U7管脚9。电阻R20(30kΩ)两端分别接U7管脚3及AGND。电阻R21(20kΩ)两端分别接U7管脚3及CN1管脚2。电阻R22(10kΩ)两端分别接U7管脚2及AGND。电阻R23(1kΩ)两端分别接U7管脚1及U7管脚2。电阻R24(30kΩ)两端分别接U7 管脚12及AGND。电阻R25(20kΩ)两端分别接U7管脚12及CN1管脚5。电阻R26(10k Ω)两端分别接U7管脚13及AGND。电阻R27(1kΩ)两端分别接U7管脚13及U7管脚14。
CN2为数据通信总线5的接口，其用485总线通信方式实现浮标母体1与浮标子体 2之间的数据传输。CN2的管脚1接VCC、管脚6接GND。
U8为SN65HVD70总线通信芯片，其管脚1至5分别与U1的管脚57、50、52、54 及GND连接。U8管脚10接VCC。电阻R5(120Ω)两端分别接U8管脚8及管脚9。电阻R6(20Ω)两端分别接U8管脚8及CN2管脚3。电阻R7(20Ω)两端分别接U8管脚 9及CN2管脚2。电阻R8(120Ω)两端分别接U8管脚6及管脚7。电阻R9(20Ω)两端分别接U8管脚6及CN2管脚4。电阻R10(20Ω)两端分别接U8管脚7及CN2管脚5。
CN3为北斗卫星的通信接口，其管脚1-5分别接U1的43管脚、92管脚、4管脚、 GND及VCC。
CN4为SD卡接口，其管脚7接U1管脚95，管脚5接U1管脚8、管脚2接U1管脚 1、管脚1接U1管脚9.CN4管脚4接VCC、管脚3及管脚6接GND。
如图7所示本发明浮标子体电路结构图，对浮标子体进行控制并与浮标母体进行数据传输。访电路的总输入电压为VIN，其电压值为12V。
U10为7805降压芯片，其管脚1与VIN相连，管脚3为输出电压端、其电压值为+5V，管脚4接地(GND)。电容C60(470uF)、电容C61(0.1uF)两端分别接于VIN与GND之间，电容C62(470uF)、电容C61(0.1uF)两端分别接于+5V与GND之间。
U11为TPS75733电压调节器，其管脚1与管脚3接GND、管脚4端产生+3.3V电压 VCC。电阻R53(10kΩ)两端分别接U11管脚5及VCC。电容C65(1uF)、C64(100uF)起降噪作用两管脚分别接于+5V与GND之间，电容C67(1uF)、C66(10uF)起降噪作用两管脚分别接于U11管脚2与GND之间。电容C69(1uF)、C68(100uF)起降噪作用两管脚分别接于VCC与GND之间。电感L02的两端分别接+5V及U11的管脚2。
U12为SPX1117M3-1.8，其管脚3接+5V，管脚1接GND，管脚2端产生1.8V电压。 C71(0.1uF)、C70(100uF)起降噪作用两管脚分别接于1.8V与GND之间。1.8V电压经过电感L4一端，其另一端记为VDDA1.8V，VCC电压经过电感L5一端，其另一端记为 VDDA3.3V，GND经过电感L7一端，其另一端记为AGND，+5V电压经过电感L6一端，其另一端记为VDDA5V。
U9为TMS320F2808数字信号处理器，其管脚3、46、65、82及96接VCC，管脚10、 42、59、68、85、93接1.8V，管脚2、11、41、49、55、62、69、77、87、89、94接 GND。Y12为20MHz石英晶振，其两端分别接U9管脚86及88。电容C52(24pF)两端分别接U9管脚88及GND。电容C53(24pF)两端分别接U9管脚86及GND。U9管脚90接 GND。
CN7为14针JTAG接口，其引脚1与U9管脚74连接，其引脚2与U9管脚84连接，其引脚3与U9管脚73连接，其引脚7与U9管脚76连接，其引脚9与U9管脚75连接，其引脚11与U9管脚75连接，其引脚13与U9管脚80连接，其引脚14与U9管脚81 连接，其引脚4、8、10、12均接GND，其引脚5接VCC。电阻R51(4.7kΩ)两端分别接U9管脚81及VCC、电阻R50(4.7kΩ)两端分别接U9管脚80及VCC、电阻R52(2.2k Ω)两端分别接U9管脚84及GND。C56(0.1uF)两端分别接U9管脚26及AGND。U9 管脚26与管脚15接VDDA3.3V。U9管脚25、14、13、39均接于AGND。U9管脚12与管脚40接于VDDA1.8V。C55(0.1uF)、C54(0.1uF)两端分别接于VDDA1.8V及AGND之间。电阻R115(10kΩ)两端分别接于VCC与U9管脚78之间。C84(0.1uF)两端分别接于 GND与U9管脚78之间。C83(22uF)两端分别接于GND与U9管脚78之间。按键KEY2 两端分别接于GND与U9管脚78之间。C72(2.2uF)两端分别接AGND与U9管脚37。C73 (2.2uF)两端分别接AGND与U9管脚36。电阻R66(22.1kΩ)两端分别接AGND与U9 管脚38。U9管脚24接AGND。
U13为ADR421ARM电压基准源芯片，其管脚2接+5V。电容C59(10uF)、电容C58(0.1uF)两端分别接于U5管脚2与GND之间。U13管脚4接GND。U13管脚6产生基准电压记为VREF。U13管脚4与管脚6之间接电容C57(0.1uF)。U13管脚6与U9管脚35 连接。电容C40(0.1uF)、C41(0.1uF)、C42(0.1uF)、C43(0.1uF)、C44(0.1uF)、 C45(0.1uF)为降噪电容其两端均接于VCC与GND之间。电容C46(0.1uF)、电容C47 (0.1uF)、C48(0.1uF)、C49(0.1uF)、C50(0.1uF)、C51(0.1uF)为降噪电容其两端均接于1.8V与GND之间。
CN7为摄像头203的接口，在此摄像头模块采用SPI通信方式与数据处理模块进行数据传输。SN7的管脚1接+5V、管脚6接GND。U26为TXB0108电平转换芯片。其管脚 11-14分别接SN7管脚2至5。U26管脚15接GND、管脚16接+5V、管脚5接VCC。管脚 1、2、3、4及6分别与U9管脚63、67、71、72及48连接。
CN8为通信总线接口，其用485总线通信方式实现浮标子体与浮标母体之间的数据传输。CN8的管脚1接VCC、管脚6接GND。U18为SN65HVD70总线通信芯片，其管脚1 至5分别与U9的管脚57、50、52、54及GND连接。U18管脚10接VCC。电阻R64(120 Ω)两端分别接U18管脚8及管脚9。电阻R65(20Ω)两端分别接U18管脚8及CN8 管脚5。电阻R66(20Ω)两端分别接U18管脚9及CN2管脚4。电阻R61(120Ω)两端分别接U18管脚6及管脚7。电阻R62(20Ω)两端分别接U8管脚6及CN2管脚2。电阻R63(20Ω)两端分别接U8管脚7及CN2管脚3。
CN9为直流电机M2A\M2B\M2C\M2D\M3A\M3B\M3C\M3D驱动接口。其管脚1、2接M2A电机两端，管脚3、4接M2B电机两端，管脚5、6接M2C电机两端管脚7、8接M2D电机两端，管脚9、10接M3A电机两端，管脚11、12接M3B电机两端，管脚13、14接M3C 电机两端，管脚15、16接M3D电机两端。
U25为L298N电机驱动芯片，其管脚9接+5V，管脚4接VIN，管脚1、8、15均接 AGND。U25的管脚2同时接CN9的管脚2、4、6、8，U25的管脚3同时接CN9的管脚1、 3、5、7，U25的管脚13同时接CN9的管脚10、12、14、16，U25的管脚14同时接CN9 的管脚9、11、13、15。U19为UN137光耦隔离芯片，电阻R54(200Ω)两端分别接U9 管脚51及U19管脚2。U19管脚3接GND、管脚8接AGND、管脚5接+5V、管脚7接+5V、管脚6与U25的管脚5连接。电容C76(0.1uF)为降噪电容其两端均接于+5V与AGND 之间。U20为UN137光耦隔离芯片，电阻R55(200Ω)两端分别接U9管脚53及U20管脚2。U20管脚3接GND、管脚8接AGND、管脚5接+5V、管脚7接+5V、管脚6与U25 的管脚7连接。电容C77(0.1uF)为降噪电容其两端均接于+5V与AGND之间。
U21为UN137光耦隔离芯片，电阻R56(200Ω)两端分别接U9管脚48及U21管脚 2。U21管脚3接GND、管脚8接AGND、管脚5接+5V、管脚7接+5V、管脚6与U25的管脚12连接。电容C78(0.1uF)为降噪电容其两端均接于+5V与AGND之间。
U22为UN137光耦隔离芯片，电阻R57(200Ω)两端分别接U9管脚44及U22管脚 2。U22管脚3接GND、管脚8接AGND、管脚5接+5V、管脚7接+5V、管脚6与U25的管脚11连接。电容C79(0.1uF)为降噪电容其两端均接于+5V与AGND之间。U23为UN137 光耦隔离芯片，电阻R58(200Ω)两端分别接U9管脚56及U23管脚2。U23管脚3接 GND、管脚8接AGND、管脚5接+5V、管脚7接+5V、管脚6与U25的管脚10连接。电容 C80(0.1uF)为降噪电容其两端均接于+5V与AGND之间。U27为UN137光耦隔离芯片，电阻R60(200Ω)两端分别接U9管脚47及U27管脚2。U27管脚3接GND、管脚8接 AGND、管脚5接+5V、管脚7接+5V、管脚6与U25的管脚6连接。电容C82(0.1uF)为降噪电容其两端均接于+5V与AGND之间。
CN10为摄像头转动第一电机203接口，其管脚1及管脚3分别与+5V及AGND连接。U24为6N137光耦隔离芯片。电阻R59(200Ω)两端分别接U9管脚45及U24管脚2。 U24管脚3接GND、管脚8接AGND、管脚5接+5V、管脚7接+5V、管脚6与CN10管脚2 连接。电容C81(0.1uF)为降噪电容其两端均接于+5V与AGND之间。
CN11为母体浮标舱体温度采集电路接口，该专利的温度采集电路采用三线制PT100 实现，CN11的3管脚对应三线制的GND。U15为AD7551运算放大器，其管脚7接+5V，管脚4接AGND。电阻R78(3kΩ)两端分别接U15管脚6及CN0管脚1。电阻R76(3k Ω)一端接U13管脚6，其另一端与电阻R77(200Ω)的一端及电阻R79(1kΩ)的一端同时连接。在此基础上，电阻R77(200Ω)的空闲端接CN11管脚2，电阻R79(1k Ω)的空闲端接U15管脚3。电阻R78(1kΩ)两端分别接CN11管脚1及U15管脚2。电阻R80(30kΩ)两端分别U15管脚3及AGND。电阻R81(30kΩ)两端分别接U15管脚2及管脚6。电阻R82(1kΩ)两端分别接U15管脚6及U9管脚23。ZD2为1N4733，其反向接于U9管脚23与AGND之间。C74(0.1uF)两端接于U1管脚23与AGND之间。
CN12为温度采集电路接口，该专利的温度采集电路采用三线制PT100实现，CN12的3管脚对应三线制的GND。U14为AD7551运算放大器，其管脚7接+5V，管脚4接AGND。电阻R70(3kΩ)两端分别接U14管脚6及CN0管脚1。电阻R68(3kΩ)一端接U13 管脚6，其另一端与电阻R69(200Ω)的一端及电阻R71(1kΩ)的一端同时连接。在此基础上，电阻R69(200Ω)的空闲端接CN12管脚2，电阻R71(1kΩ)的空闲端接 U15管脚3。电阻R70(1kΩ)两端分别接CN12管脚1及U15管脚2。电阻R72(30kΩ) 两端分别U14管脚3及AGND。电阻R73(30kΩ)两端分别接U14管脚2及管脚6。电阻 R74(1kΩ)两端分别接U14管脚6及U9管脚24。ZD2为1N4733，其反向接于U9管脚 23与AGND之间。C74(0.1uF)两端接于U1管脚23与AGND之间。
SN13为酸碱度传感器模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3管脚接AGND。U17为AD7554运算放大器，其管脚4接+5V，管脚11接AGND。电阻R84(20k Ω)一端接SN13管脚2，另一端接U17管脚5。电阻R85(30kΩ)一端接AGND，另一端接U17管脚5。R83(10kΩ)一端接AGND，另一端接U17管脚6。电阻R86(1kΩ) 两端分别接U17管脚6及管脚7。U17管脚7接U9管脚21。
SN14为溶解氧传感器模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3管脚接AGND。电阻R92(20kΩ)一端接SN14管脚2，另一端接U17管脚10。电阻R93 (30kΩ)一端接AGND，另一端接U17管脚10。R91(10kΩ)一端接AGND，另一端接 U17管脚9。电阻R94(1kΩ)两端分别接U17管脚8及管脚9。U17管脚8接U9管脚 20。
SN15为电导率传感器模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3管脚接AGND。电阻R96(20kΩ)一端接SN15管脚2，另一端接U17管脚12。电阻R97 (30kΩ)一端接AGND，另一端接U17管脚12。R95(10kΩ)一端接AGND，另一端接 U17管脚13。电阻R98(1kΩ)两端分别接U17管脚13及管脚14。U17管脚14接U9 管脚19。
SN16为浊度传感器模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3管脚接AGND。电阻R88(20kΩ)一端接SN16管脚2，另一端接U17管脚3。电阻R89(30k Ω)一端接AGND，另一端接U17管脚3。R87(10kΩ)一端接AGND，另一端接U17管脚2。电阻R90(1kΩ)两端分别接U17管脚1及管脚2。U17管脚1接U9管脚18。
SN17为叶绿素a传感器模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3 管脚接AGND。U16为AD7554运算放大器，其管脚4接+5V，管脚11接AGND。电阻R100 (20kΩ)一端接SN17管脚2，另一端接U16管脚5。电阻R101(30kΩ)一端接AGND，另一端接U16管脚12。R99(10kΩ)一端接AGND，另一端接U16管脚6。电阻R102(1k Ω)两端分别接U16管脚6及管脚7。U16管脚7接U9管脚17。
SN18为蓝绿藻传感器模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3管脚接AGND。电阻R104(20kΩ)一端接SN18管脚2，另一端接U16管脚3。电阻R105 (30kΩ)一端接AGND，另一端接U16管脚3。R103(10kΩ)一端接AGND，另一端接 U16管脚2。电阻R106(1kΩ)两端分别接U16管脚1及管脚2。U16管脚1接U9管脚 16。
SN19为磷酸盐PO4集模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3管脚接AGND。电阻R108(20kΩ)一端接SN19管脚2，另一端接U16管脚10。电阻R109 (30kΩ)一端接AGND，另一端接U16管脚10。R107(10kΩ)一端接AGND，另一端接U16管脚9。电阻R110(1kΩ)两端分别接U16管脚8及管脚9。U16管脚8接U9管脚27。
SN20为氨氮NH3传感器模块接口，其1管脚接VIN、2管脚接传感器模拟输出、3 管脚接AGND。电阻R112(20kΩ)一端接SN20管脚2，另一端接U16管脚12。电阻R113 (30kΩ)一端接AGND，另一端接U16管脚12。R111(10kΩ)一端接AGND，另一端接U16管脚13。电阻R114(1kΩ)两端分别接U16管脚13及管脚14。U16管脚14接 U9管脚28。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种海洋生态监测浮标装置，包括浮标母体、浮标子体及锚固定装置，其特征在于：所述锚固定装置为悬索结构，所述浮标母体下端与悬索的上端相连，所述浮标子体安设在悬索上，并可沿悬索上下移动，所述浮标母体上设有母体数据处理模块，所述浮标子体上设有子体数据处理模块，所述母体数据处理模块与子体数据处理模块之间通过总线接口进行浮标母体与浮标子体之间的数据传输，所述母体数据处理模块通过卫星通信模块与远程基站的数据进行传输；所述浮标母体的上表面设有太阳能充电装置，并通过供电线路与浮标子体相连，并对浮标子体供电，所述浮标子体上设有摄像头。
2.根据权利要求1所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述浮标母体上设有LED灯、浮标母体温度传感器及气象站模块，所述母体数据处理模块用于控制太阳能供电、控制LED灯、采集浮标母体温度传感器信息及气象站模块相关数据信息的采集，并把采集的并把数据信息存储到浮标母体的存储卡上。
3.根据权利要求2所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述气象站模块包括风速检测、风向检测、气温检测、气压检测中的一种传感器或多种传感器。
4.根据权利要求1所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述浮标母体的中部圆周设有突起。
5.根据权利要求1所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述浮标子体由中间旋转平台及置于旋转平台上、下两边的上平台和下平台组成，所述上平台和下平台与旋转平台之间通过环形蜗槽相连，所述浮标子体的中部为中空结构，浮标子体通过中空结构套设在悬索上，并在多个电机模块控制下沿悬索上下移动。
6.根据权利要求5所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述摄像头设置在旋转平台的侧面，所述摄像头外部安装有透明罩体；所述旋转平台上设有与摄像头相连的第一电机，所述第一电机控制摄像头在垂直面上180度转动。
7.根据权利要求6所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述旋转平台的上下两面对称设有第二电机组，所述第二电机组为旋转同步电机以控制旋转平台绕悬索水平旋转；所述浮标子体中空结构的内侧壁上设有第三电机组，所述第三电机组为控制同步电动带动浮标子体在悬索上下移动，所述悬索的中下部设有阻止浮标子体向下运动的固定突起。
8.根据权利要求7所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述浮标子体上设有声纳探测模块、水质检测模块、水养探测模块、水质氨氮盐检测模块及浮标子体舱体温度检测传感器；所述子体数据处理模块用于实现对声纳探测模块、水质检测模块、水养探测模块、水质氨氮盐检测模块、子体浮标温度传感器的数据进行采集。
9.根据权利要求8所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述子体数据处理模块通过声纳探测模块数据的采集，对第一电机、第二电机组和第三电机组进行控制，对视频模块的数据进行采集。
10.根据权利要求5所述的海洋生态监测浮标装置，其特征在于：所述水质检测模块包括检测温度、酸碱度、溶解氧、电导率、浊度的传感器；所述水养探测模块包括集成有叶绿素a及蓝绿藻探测传感器；所述水质氨氮盐检测模块包括集成有磷酸盐PO4及氨氮NH3传感器模块。
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