CN108534742A - 水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋观测技术领域，旨在提供一种水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统及方法。该系统包括至少四条阵列带，每个阵列带均由通过活动接头连接的若干节条带状的刚性基底组成，在每节刚性基底上，三个传感器单元分别通过电缆连接至从站数据采集单元，后者通过电缆连接至中央控制器；中央控制器包括外部的耐压壳体和内部的嵌入式控制器及电源，各从站数据采集单元从MEMS姿态传感器采集数据后，传送至嵌入式控制器。本发明能够实现水下甚至海底多节点数据的同步采集，实现面形的三维重构，可用于提高海洋观测能力。利用主站的时钟作为系统的时钟源，采用I/O定时下达对时指令的形式实现系统内的时间同步，有效解决系统时间同步的问题。

Description

水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种用于水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统及方法。

背景技术

海洋面积约占地球表面积的百分之七十五，海洋中蕴藏了大量的矿藏资源，在海洋勘探和开发过程中需要众多技术设备以及兴建港口码头、铺设海底管道、测量航道等工程。进入21世纪，世界各国经济的发展都离不开广袤的海洋。特别，随着经济的快速发展及人口的不断膨胀，对能源的需求也不断增加，人们已将目光投向海洋尤其是深海，对海洋资源的勘测、开发、利用已成为必要。我国是一个海洋大国，拥有近300万平方公里的海域面积，所以对海洋的开发和研究具有重要意义。水下监测工作是研究海洋和水下工程施工中极其重要的一部分。目前，在地面工程表面形态监测工程中相关技术较为成熟，智能监测技术蓬勃发展，观测系统研制也较为完善，但对水下工程曲面监测，目前研究基础较为薄弱。随着国家大力发展海洋事业，水下面形监测应用领域更加广泛。对于海底地形监测，如海底天然气水合物的勘查与试采。天然气水合物在海底是极其脆弱的，其结构稳定性易受温度和压力变化影响，甚至导致大规模的海底地形变化，毁坏深海输油管道、海底监测等海底工程设施。因此，对于水下面形变形的监测具有重要意义，是迫切需要的。

在深海尤其是海底进行数据的采集，时间同步是一个难题。时间同步是水下传感网络的关键技术之一，分布式传感节点采集的数据和时间信息匹配才有意义，它也是实现网络协同工作、协同休眠等技术的基础。现阶段，在陆地上系统的时间同步的技术已经相对比较成熟，但是海洋中的环境更加复杂，目前最常见的方式是采用陆上的基于GPS的分布式数据采集系统的时间同步技术，但是海水会屏蔽电磁波、光波等多种信号传递，因此深海环境下无法使用陆地上通用的GPS或北斗时标器等独立高精度时钟基准源。那么，如何实现深海传感数据多节点、长时间的同步采集，就显得很重要。并且这样方法也可以有效地运用在无法使用通用的独立高精度时钟基准源的情况下，具有很好的拓展性。

公告号为CN105674945A的中国专利文献公开了一种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置及监测方法，监测单元由若干依次串联的监测子单元组成，监测单元放置在保护罩内，监测单元将监测到的信号传递给处理单元，处理单元将处理后的信号传递给电脑终端。MEMS传感器固定在长管内，长管的一端与软连接管的一端相连，MEMS传感器与数据处理器的数据输入端口相连，数据处理器将处理后的数据传递给电脑终端。但是，一方面该发明的阵列结构为圆管形，在布防过程中须防止其发生扭转，距离越长发生扭曲的概率越大，并且会极大地增加布防的难度；另一方面，该阵列的传感器是加速度传感器，对于串联布防只能监测二维的变形情况，不能对监测区域内的三维形变进行有效检测，也不能保证数据的同步采集。

公告号为CN107339969A的中国专利文献公开了一种基于MEMS姿态传感器的水下面形变形监测系统，包括主控计算机、水下数据存储单元和多个并列的带状传感器阵列，主控计算机通过水下数据存储单元与各传感器阵列相连；传感器阵列的外部均由封装材料密封，内部包括通过柔性接头连接的多节矩形管；每节矩形管中布置一个MEMS姿态传感器，各MEMS姿态传感器通过电缆连接采集单元，后者与水下总控单元相连；所述MEMS姿态传感器是9轴姿态传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力仪，能将获得的加速度、角速度与磁场强度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为欧拉角或四元数的数据形式。但该发明的水下面形变形监测系统不能保证数据的同步采集，所以后期的三维重构的精准度不是很高，并且传感器阵列采用不锈钢矩形管加橡胶柔性接头结构，可靠性差，接头处易损坏，存在发生扭曲的概率，MEMS姿态传感器采用9轴姿态传感器，能耗比较高，不适合水下长期布放。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供了一种用于水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统及方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案如下：

提供一种用于水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统，包括中央控制器和安装了MEMS姿态传感器的阵列带；该系统包括至少四条阵列带，每个阵列带均由通过活动接头连接的若干节条带状的刚性基底组成，每节刚性基底上设有三个传感器单元和一个从站数据采集单元；传感器单元包括外部的耐压壳体和内部的MEMS姿态传感器及电源，从站数据采集单元包括外部的耐压壳体和内部的从站数据采集单元控制板及电源，三个传感器单元分别通过电缆连接至从站数据采集单元，后者通过电缆连接至中央控制器；中央控制器包括外部的耐压壳体和内部的嵌入式控制器及电源，各从站数据采集单元从MEMS姿态传感器采集数据后，传送至嵌入式控制器。

本发明中，从站数据采集单元通过水密接插件和电缆分别连接各传感器单元与中央控制器。

本发明中，所述MEMS姿态传感器是3轴加速度传感器，能将获得的加速度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为四元数或者欧拉角的数据形式。

本发明中，在传感器单元的耐压壳体外侧设有一圈径向包围的卡箍，通过卡箍将传感器单元安装在刚性基底的安装位上。

本发明中，在中央控制器的耐压壳体下端设有有用于固定的尖状固定件，在耐压壳体的上端设有一个(椭圆)环状吊钩。

本发明中，所述刚性基底是不锈钢板，连接相邻刚性基底的活动接头是不锈钢活动合页，在阵列带的首端设有用于连接水下机械臂的旋转吊环；电源包括5V移动电源和24V锂电池组，前者为从站数据采集单元供电，后者由锂电池串联或并联而成用于为中央控制器供电；所述传感器单元与从站数据采集单元之间通过模拟IIC总线实现数据传输，从站数据采集单元与中央控制器之间通过CAN总线实现数据传输，采用I/O传输下达同步对时信号。

本发明进一步提供了利用前述系统实现水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集方法，包括：

(1)搭建同步采集系统

组装同步采集系统，每个中央控制器至少配置4个阵列带，中央控制器与从站数据采集单元、各传感器单元的电路连接关系为：每3个传感器单元为一组连接一个从站数据采集单元，并且独立地通过3条模拟IIC总线进行数据的传输，该模拟IIC总线包括SDA和SCL两条线，SDA与SCL同时分别通过上拉电阻连接至采集单元的VCC接口；各从站数据采集单元通过共同的CAN总线将数据与中央控制器进行传输，该CAN总线包括CAN_H、CAN_L和两个120Ω的终端电阻，CAN控制器根据CAN_H、CAN_L两根线上的电位差来判断总线电平(总线电平分为显性电平和隐性电平，二者必有其一；发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方)；

(2)通过水下绞车将同步采集系统下放到海底，利用水下机器人进行安装，使中央控制器下端的尖状固定件插入海底地层实现固定；以水下机器人抓取位于阵列带首端的旋转吊环，牵引各阵列带使其以中央控制器为中心沿径向均匀布置在海底(如四条阵列带呈十字)；

(3)以中央控制器的时钟作为系统的主时钟，通过CAN总线预先依次传输校准时间点信息到各从站数据采集单元，对时信号由I/O同时下达，从站数据采集单元接到对时信号后同时校准各自的时间，实现数据采集系统时钟的相对同步；

(4)传感器单元采集各个物理点的加速度数据后，通过模拟IIC总线将数据传输到邻近的从站数据采集单元；从站数据采集单元将数据进行分类和编号后加上时间戳，再将数据发送到CAN总线上；中央控制器通过CAN总线汇总各站数据采集单元的数据，完成数据的储存和预处理。

发明原理描述：

本发明的技术方案中，传感器节点的阵列带是为从站数据采集单元和MEMS加速度传感器采集节点提供安装空间的载体，由若干条分节的条带状刚性基底和中间活动接头组成，将MEMS加速度传感器和从站数据采集单元耐压壳体布置于分节的条带状刚性基底，每节长度为50cm，节间以活动接头连接；MEMS加速度传感器采集节点进行各个物理点的加速度数据的采集，用于后期的海底三维地形的重构；从站数据采集单元布置在耐压壳体内，通过模拟IIC总线采集相邻的3个MEMS加速度传感器采集节点的数据，在每个数据末尾打上时间戳，并且将采集到的数据发送到CAN总线上，从而实现数据的中转和长距离传输。中央控制器也布置于耐压壳体内，作为主时钟，通过I/O下达定期对时的指令，实现系统时间的相对同步，通过CAN总线将从站数据采集单元中的加速度数据汇总，完成数据的储存和预处理。

通过水下绞车将传感器节点的阵列带下放到海底，通过ROV抓取阵列带首端的旋转吊环牵引拉动盘在绞车转盘中的阵列带，以水下绞车为中心，将四条阵列带呈十字布放在海底。通过绳索将中央控制器投放到海底，然后利用ROV将其安装，使其下端的尖状固定件插入海底地层以固定耐压壳体。MEMS加速度传感器采集节点可以采集各个物理点的加速度数据，然后通过模拟IIC总线，将数据传输到邻近的从站数据采集单元。从站数据采集单元将数据进行分类和编号后，加上时间戳，再将数据发送到CAN总线上。中央控制器通过CAN总线汇总各个从站数据采集单元的数据，完成数据的储存和预处理，并且通过CAN总线预先依次传输校准时间点信息到各从站数据采集单元，然后采用I/O定期对从站数据采集单元的时间进行校准，实现系统数据的相对同步采集。

作为优选，所述的中央控制器耐压壳体和从站数据采集单元耐压壳体均选用圆柱形壳体，优点是易于加工制造，内部空间利用率高，流体运动阻力小。所述的耐压壳体选用不锈钢作为耐压壳体的材料，具有良好的综合性能，耐高压耐腐蚀且易于加工。所述的耐压壳体内部安装有主控制板、存储模块、电源等元器件。在使用过程中会需要替换电源、提取存储数据，所以在耐压壳体和上端盖之间需要可靠的静密封，本发明采用的是橡胶O型圈密封的方法；O型圈安装在相应的封闭密封槽内，以保证在水下工作的时候不产生泄漏。作为进一步优选，O型圈选用线径分别为10mm和5.7m两种规格，内径根据耐压壳体径向尺寸确定。

MEMS加速度传感器采集节点用于采集各物理点的加速度数据，用于后期的三维面形重构；作为应用示例，MEMS加速度传感器采集节点可采用ADXL335；从站数据采集单元主控制板用于将加速度数据进行分类和编号，并加上时间戳；作为应用示例，从站数据采集单元主控制板的控制单元可采用STM32F103ZET6；中央控制器控制板用于汇总各个从站数据采集单元的数据，完成数据的储存和预处理，并预先发送校准时间点信息和定期发送对时指令，实现系统数据的相对同步采集；作为应用示例，中央控制器控制板可采用BECKHOFF的CX5100；存储模块用于存储自MEMS加速度传感器采集节点获得的数据，作为应用示例，可采用BECKHOFF的Micro SD卡读写模块与一块32GB的Micro SD卡；电源模块是为中央控制器和从站数据采集单元提供电能的，分别为24V和5V，24V是由锂电池串联或并联而成，作为应用示例，可采用飞毛腿的5V锂电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的用于水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统，能够实现水下甚至海底多节点数据的同步采集，实现面形的三维重构，可用于提高海洋观测能力。

(2)本发明创新性地提出了采用IIC总线和CAN总线搭配的方式实现数据的长距离传输，利用主站的时钟作为系统的时钟源，采用I/O定时下达对时指令的形式实现系统内的时间同步，可以有效地解决无法使用陆地上通用的GPS或北斗时标器等独立高精度时钟作为基准源的系统时间同步的问题。

(3)本发明中，安装传感器节点的阵列的条带状刚性基底采用不锈钢板，节间活动接头的为不锈钢活动合页，在安装传感器节点的阵列带首端设有旋转吊环，阵列带还设有抱箍，可以实现系统稳定可靠得工作，并且极大地方便了系统的安装和水下布放操作。

附图说明

图1为本发明的整体外部结构示意图；

图2为本发明的MEMS传感器节点的阵列带局部结构示意图；

图3为本发明的中央控制器结构示意图；

图4为本发明的密封壳体安装示意图；

图5为本发明的条带状刚性基底和中间活动接头装置结构示意图。

图中的附图标记：1旋转吊环；2卡箍；3传感器单元；4四芯水密接插件；5八芯水密接插件；6活动接头；7刚性基底；8从站数据采集单元；9四芯水密接插件；10中央控制器；11阵列带；12电源；13MEMS姿态传感器；14电源；15从站数据采集单元控制板；16环状吊钩；17电源；18中央控制器控制板；19尖状固定件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统作进一步详细说明。

如图1-4所示，水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统包括4条阵列带11，其首端设有旋转吊环1，用于与水下机械臂连接进行布放，其上通过卡箍2分别安装有传感器单元3和从站数据采集单元8；传感器单元3内部装有MEMS姿态传感器13(例如3轴加速度传感器)和3.3V的电源12，用于采集所在物理点的加速度信息，在传感器单元3上端盖上装有四芯水密接插件4，通过电缆连接到相邻的从站数据采集单元8上；从站数据采集单元8内部装有从站数据采集单元控制板15和5V的电源14，负责通过模拟IIC总线采集相邻的3个传感器单元3所采集节点的数据，在每个数据末尾打上时间戳，并且将采集到的数据发送到CAN总线上，在从站数据采集单元8的上下端盖分别装有四芯水密接插件4和八芯水密接插件5；4条阵列带11呈十字布放，中间通过电缆连接到中央控制器10，通过CAN总线汇总各个从站数据采集单元的数据，完成数据的储存和预处理，并且通过CAN总线预先依次传输校准时间点信息到各从站数据采集单元，然后采用I/O定期对从站数据采集单元的时间进行校准，实现系统数据的相对同步采集；中央控制器10的内部装有中央控制器控制板18和24V的电源17，上端盖有一个椭圆状吊环16，用于下放时于水下机械臂连接，下端盖有中央控制耐压壳体尖状固定件19，用于插入海底地层固定耐压壳体。

如图5所示，条带状刚性基底7和活动接头6组成可弯曲的阵列带，在水平面布放的时候，条带状刚性基底7之间的角度为0°，当面形有变化时，通过活动接头6转动条带状刚性基底7之间的角度会发生变化，这种结构可以大大减少发生扭曲的概率。

本发明的工作过程如下：

(1)搭建同步采集系统

组装同步采集系统，每个中央控制器10至少配置4个阵列带11，中央控制器10与从站数据采集单元8、各传感器单元3的电路连接关系为：每3个传感器单元3为一组连接一个从站数据采集单元8，并且独立地通过3条模拟IIC总线进行数据的传输，该模拟IIC总线包括SDA和SCL两条线，SDA与SCL同时分别通过上拉电阻连接至从站数据采集单元8的VCC接口；各从站数据采集单元8通过共同的CAN总线将数据与中央控制器10进行传输，该CAN总线包括CAN_H、CAN_L和两个120Ω的终端电阻，CAN控制器根据CAN_H、CAN_L两根线上的电位差来判断总线电平；

(2)通过水下绞车将同步采集系统下放到海底，利用水下机器人进行安装，使中央控制器10下端的尖状固定件插入海底地层实现固定；以水下机器人抓取位于阵列带11首端的旋转吊环1，牵引各阵列带11使其以中央控制器10为中心沿径向均匀布置在海底；

(3)以中央控制器10的时钟作为系统的主时钟，通过CAN总线预先依次传输校准时间点信息到各从站数据采集单元8，对时信号由I/O同时下达，从站数据采集单元8接到对时信号后同时校准各自的时间，实现数据采集系统时钟的相对同步；

(4)传感器单元3采集各个物理点的加速度数据后，通过模拟IIC总线将数据传输到邻近的从站数据采集单元8；从站数据采集单元8将数据进行分类和编号后加上时间戳，再将数据发送到CAN总线上；中央控制器10通过CAN总线汇总各站数据采集单元的数据，完成数据的储存和预处理。

需说明，以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (7)

1.一种用于水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集系统，包括中央控制器和安装了MEMS姿态传感器的阵列带；其特征在于，该系统包括至少四条阵列带，每个阵列带均由通过活动接头连接的若干节条带状的刚性基底组成，每节刚性基底上设有三个传感器单元和一个从站数据采集单元；传感器单元包括外部的耐压壳体和内部的MEMS姿态传感器及电源，从站数据采集单元包括外部的耐压壳体和内部的从站数据采集单元控制板及电源，三个传感器单元分别通过电缆连接至从站数据采集单元，后者通过电缆连接至中央控制器；中央控制器包括外部的耐压壳体和内部的嵌入式控制器及电源，各从站数据采集单元从MEMS姿态传感器采集数据后，传送至嵌入式控制器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，从站数据采集单元通过水密接插件和电缆分别连接各传感器单元与中央控制器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述MEMS姿态传感器是3轴加速度传感器，能将获得的加速度进行数据融合以得到姿态信息，并将其显示为四元数或者欧拉角的数据形式。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在传感器单元的耐压壳体外侧设有一圈径向包围的卡箍，通过卡箍将传感器单元安装在刚性基底的安装位上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在中央控制器的耐压壳体下端设有有用于固定的尖状固定件，在耐压壳体的上端设有一个环状吊钩。

6.根据权利要求1至5任意一项中所述的系统，其特征在于，所述刚性基底是不锈钢板，连接相邻刚性基底的活动接头是不锈钢活动合页，在阵列带的首端设有用于连接水下机械臂的旋转吊环；电源包括5V移动电源和24V锂电池组，前者为从站数据采集单元供电，后者由锂电池串联或并联而成用于为中央控制器供电；所述传感器单元与从站数据采集单元之间通过模拟IIC总线实现数据传输，从站数据采集单元与中央控制器之间通过CAN总线实现数据传输，采用I/O传输下达同步对时信号。

7.基于权利要求1所述系统的水下面形变形实时监测的多节点数据同步采集方法，其特征在于，包括：

(1)搭建同步采集系统

组装同步采集系统，每个中央控制器至少配置4个阵列带，中央控制器与从站数据采集单元、各传感器单元的电路连接关系为：每3个传感器单元为一组连接一个从站数据采集单元，并且独立地通过3条模拟IIC总线进行数据的传输，该模拟IIC总线包括SDA和SCL两条线，SDA与SCL同时分别通过上拉电阻连接至从站数据采集单元的VCC接口；各从站数据采集单元通过共同的CAN总线将数据与中央控制器进行传输，该CAN总线包括CAN_H、CAN_L和两个120Ω的终端电阻，CAN控制器根据CAN_H、CAN_L两根线上的电位差来判断总线电平；

(2)通过水下绞车将同步采集系统下放到海底，利用水下机器人进行安装，使中央控制器下端的尖状固定件插入海底地层实现固定；以水下机器人抓取位于阵列带首端的旋转吊环，牵引各阵列带使其以中央控制器为中心沿径向均匀布置在海底；

(3)以中央控制器的时钟作为系统的主时钟，通过CAN总线预先依次传输校准时间点信息到各从站数据采集单元，对时信号由I/O同时下达，从站数据采集单元接到对时信号后同时校准各自的时间，实现数据采集系统时钟的相对同步；

(4)传感器单元采集各个物理点的加速度数据后，通过模拟IIC总线将数据传输到邻近的从站数据采集单元；从站数据采集单元将数据进行分类和编号后加上时间戳，再将数据发送到CAN总线上；中央控制器通过CAN总线汇总各站数据采集单元的数据，完成数据的储存和预处理。