CN108540775A - 一种船载多元海洋信息采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船载多元海洋信息采集系统，包括软件部分和硬件部分两大部分，硬件部分包括FPGA雷达采集模块、渔探声呐采集模块、AIS采集模块、系统存储模块、显示终端、外部信息采集模块、卫通、GPRS无线模块和导航雷达、单(多波束)渔探仪、视频监控、AIS、风向风速仪、温湿度仪、大气压力传感器、温盐度剖面仪、声速剖面仪、DGPS、姿态传感器；有益效果是能够提高渔船海上作业、航行安全和渔业监管的能力和效率，极大节约海洋环境采集、地形地貌调查和海洋监测的必要人力，既能满足海事测控的实际工程需求，填补技术空白，又可产生较大的社会效益与经济效益。

Description

一种船载多元海洋信息采集系统

技术领域

本发明涉及海事船舶测控领域，特别是涉及一种船载多元海洋信息采集系统。

背景技术

海洋测量船载海洋环境测量系统以GPS定位、加固计算机集成开发、高速通信、软件工程技术为基础，具有测量设备控制、数据综合采集与融合、数据处理与成图等为一体的走航式海洋测量自动化作业功能，广泛采用多功能作业手段、多种标准化实验室和测量室，此类系统设备专业性强、集成度高，适用于排水量在3000吨级以上中远海综合测量船，但专业测量系统成本昂贵，通用性、模块化程度差，无法适用于海洋渔船随机、走航式海洋环境大规模测量。

我国是海洋大国、渔业大国，海洋渔船数量庞大，登记注册多达十余万艘。目前，仅有少量志愿船配置了气象、水文仪器设备外，志愿船海洋仪器设备以人工定点、分散定时采集为主，仪器设备物联网介入少、采集要素不全面、自动化程度低；国内渔船无适用的海洋环境测量系统，常年长期位海上作业，未能发挥走航测量作用。

为了解决目前现有技术中，海洋测控技术落后的瓶颈，本发明提出了一种船载多元海洋信息采集系统，综合利用物联网、无线通信和信息处理技术，既能满足海事船舶多元信息采集的实际工程需求，填补相关技术空白，又可产生较大的社会效益与经济效益。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种船载多元海洋信息采集系统，包括软件部分和硬件部分两大部分；硬件部分包括FPGA雷达采集模块、渔探声呐采集模块、AIS采集模块、系统存储模块、显示终端、外部信息采集模块、卫通、GPRS无线模块和导航雷达、单(多波束)渔探仪、视频监控、AIS、风向风速仪、温湿度仪、大气压力传感器、温盐度剖面仪、声速剖面仪、DGPS、姿态传感器；

软件部分包括LINUX软件数据处理模块，LINUX软件数据处理模块包括采集控制、地址分配、海图叠加、定位显示、航迹处理和转向避碰功能；

ARM处理器作为核心主控制器，FPGA作为协处理器；ARM通过外部数据总线、地址线、中断信号控制连接FPGA板；ARM扩展外围接口连网络交换机，网络交换机与外部信息采集模块、无线通信模块和摄像头等总线相连接，通过串口与AIS、罗经相连，通过LCD专用接口与LCD显示器相连；ARM、FPGA、外部信息采集模块和网络交换机都与电源模块电性连接；

ARM处理器外围电路扩展串口、网口和USB接口，ARM经RS422串口连接罗经、GPS；经网络交换机连接外部信息采集模块、GPRS模块和卫星通信模块；

FPGA通过RS422串口与导航雷达、渔探仪声呐相连，导航雷达、渔探仪的信号经调理电路进入FPGA扩展接入的AD模数转换器，并将转换的数据按照顺序存储到双口RAM中，当转换数据存储满后中断ARM处理器，并通过数据总线传输至ARM处理器；

FPGA逻辑程序控制数据总线、地址总线实现IP初始化配置、数据读写及ARM通信；ARM通过UDP协议实现FPGA通信；ARM处理器CPU将FPGA映射成系统的存储器进行访问，根据数据指针读写FPGA的FIFO数据寄存器完成数据的读取、写入；

外部信息采集模块包括扩展多串口、网口和USB口，外部信息采集模块内置单片机，单片机配置多个RS422串口与风向风速仪、温湿度仪、大气压力传感器、温盐度剖面仪、声速剖面仪和姿态传感器相连；外部信息采集模块，集成和配置多个RS232\484\422串口，可按需灵活接入和预留采集多路信号，模块的信号输入接口包含有多路，分别与采集模块的多路输入端口对应连接；

利用协议转换器将RS232串行通讯口的设备成为RJ45网口联网功能的网络外设，并能通过局域网得到远程主机的支持，外部信息采集模块通过串口协议转换与网络路由器互连；

网络交换机配置6-8个网口，网络路由器将FPGA、ARM、外部信息采集模块、摄像头相连接；外部信息采集模块的协议转换器使串行设备快速接入以太网，利用TCP/IP协议进行串口数据包的传输，负责数据的双向透明传送，实现RS232C/485/422转TCP/IP协议网关，完成对各端口的监听和数据的双向传输；

远程通信模块包括卫星通信、GPRS模块；无线通信模块由RS232串口经转换网口后与ARM板相连；

外部信息采集模块单片机通过RS422串口与风向风速仪相连，输出为模拟量的气象传感器进行模/数转换后，由单片机的I/O口读入风速风向仪器的输出；外部信息采集模块单片机通过RS232串口与GPS串口相连，由单片机的I/O口读入GPS的数据；

ARM板通过RS232串口与罗经相连，采集船舶当前航向信息；ARM板通过网口与监控摄像头相连，基于ARM的嵌入式视频服务端通过硬件驱动、LINUXsocket和多线程技术获取、传输海上环境和目标的视频监控画面；

多路开关的公共端连接A/D转换器，将输入一路的模拟信号输出至A/D转换器进行模数转换处理后，输出数字信号至采集处理板；海洋环境仪器的数字信号输入：在所述串口模块中包含有多路RS-232接口，通过串口扩展电路连接处理器的DART接口；

岸上控制中心利用卫通、GPRS网络运行Socket服务器程序用于与船上ARM-LINUX系统进行通讯、控制，网络上接收到数据帧，经协议处理模块拆封之后，提取上位机控制信息，经串口通讯实现系统开关机；ARM处理器按照一定的频率要求将FPGA、外部信息采集模块采集的信息经内部SRAM处理，由外部总线接IDE接口及HOST/Device USB接口连本地大容量存储硬盘；

ARM处理器发送AT指令，经GPRS、卫通模块将实时监测信息以无线传输方式及时发送到岸站，通过无线通信模块将所采集的船舶运行状况信息发送至远程服务器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：综合集成船舶导航、智能管理和信息融合等多传感器信息和设备状态，提高了渔船海上作业、航行安全和渔业监管的能力和效率，极大节约了海洋环境采集、地形地貌调查和海洋监测的必要人力，既能满足海洋测控的实际工程需求，填补技术空白，又可产生较大的社会效益与经济效益。

附图说明

图1是一种船载多元海洋信息采集系统总体原理图；

图2是ARM+FPGA的组合方式原理图。

具体实施方式

参考附图描述本发明的实施方式，下面结合图1-图2对本发明进行具体说明。

一种渔船船载海洋环境信息采集系统，包括基于ARM处理器的LINUX采集系统、基于FPGA的雷达(声呐)信号采集模块、AIS采集模块、视频采集模块、外部信息采集模块、无线通信模块、显示模块和远程控制模块等组成，系统以LINUX操作系统为基础，综合采集GPS、导航雷达、渔探仪、风向风速、温盐深等数据，实时数据和控制指令通过卫星传输或GPRS网络传输至岸基服务器。

(1)硬件总体：由ARM+FPGA的雷达声呐数据采集、外部信息采集模块、大容量存储器、电源、GPRS模块或卫通模块、海洋水文气象仪器设备和远程控制模块等组成。系统的核心主控制器是ARM处理器，FPGA以协处理器的方式辅助完成数据采集的工作。ARM通过外部数据总线、地址线、中断信号控制连接FPGA板；ARM扩展外围接口连网络交换机，网络交换机与外部信息采集模块、无线通信模块和摄像头等总线相连接，通过串口与AIS、罗经相连，通过LCD专用接口与LCD显示器相连；ARM、FPGA、外部信息采集模块和网络交换机都与电源模块电性连接。

(2)ARM处理器外围电路扩展串口、网口和USB接口，ARM经RS422串口连接罗经、GPS；经网络交换机连接外部信息采集模块、GPRS模块和卫通模块。

(3)FPGA通过RS422串口与导航雷达、渔探仪声呐相连，导航雷达、渔探仪的信号经调理电路进入FPGA扩展接入的AD模数转换器，并将转换的数据按照顺序存储到双口RAM中，当转换数据存储满后中断ARM处理器，并通过数据总线(或网络方式)传输至ARM处理器。

(4)网络交换机配置方式：FPGA逻辑程序控制数据总线、地址总线实现IP初始化配置、数据读写及ARM通信；ARM通过UDP协议实现FPGA通信。数据总线配置连接方式：ARM处理器CPU将FPGA映射成系统的存储器进行访问，根据数据指针读写FPGA的FIFO数据寄存器完成数据的读取、写入。

(5)外部信息采集模块内置单片机，单片机配置多个RS422串口与风向风速仪、温湿度仪、大气压力传感器、温盐度剖面仪、声速剖面仪和姿态传感器相连，采集海上环境信息。

(6)外部信息采集模块，集成和配置多个RS232\484\422串口，可按需灵活接入和预留采集多路信号，模块的信号输入接口包含有多路，分别与采集模块的多路输入端口对应连接，或者分别与一多路开关的多路备选通道对应连接；当连接多路开关时，所述多路开关的通道选择端连接处理器，选择其中一路模拟信号或数字信号输入接口与采集信号板的处理器连通。

(7)串口协议转换：利用协议转换器将RS232串行通讯口的设备成为RJ45网口联网功能的网络外设，连接Linux等主机资源，并能通过局域网得到远程主机的支持。外部信息采集模块通过串口协议转换与网络路由器互连。

(8)网络路由器：网络交换机配置6-8个网口，网络路由器将FPGA、ARM、外部信息采集模块、摄像头相连接；外部信息采集模块的协议转换器使串行设备快速接入以太网，利用TCP/IP协议进行串口数据包的传输，负责数据的双向透明传送，实现RS232C/485/422转TCP/IP协议网关，完成对各端口的监听和数据的双向传输，当端口有数据产生或客户端有数据请求时启动独立线程，保证实时而又不丢失地进行数据传输。

(9)远程通信模块包括卫星通信、GPRS模块；无线通信模块由RS232串口经转换网口后与ARM板相连。

(10)外部信息采集模块单片机通过RS422串口与风向风速仪相连，输出为模拟量的气象传感器进行模/数转换后，由单片机的I/O口读入风速风向仪器的输出。

(11)外部信息采集模块单片机通过RS232串口与GPS串口相连，由单片机的I/O口读入GPS的数据。

(12)ARM板通过RS232串口与罗经相连，采集船舶当前航向信息。

(13)ARM板通过网口与监控摄像头相连，基于ARM的嵌入式视频服务端通过硬件驱动、LINUX socket和多线程技术获取、传输海上环境和目标的视频监控画面。

(14)海洋环境仪器的模拟信号输入：多路开关的公共端连接A/D转换器，将输入一路的模拟信号输出至A/D转换器进行模数转换处理后，输出数字信号至采集处理板。

(15)海洋环境仪器的数字信号输入：在所述串口模块中包含有多路RS-232接口，通过串口扩展电路连接处理器的DART接口。

(16)数据存储：ARM处理器按照一定的频率要求将FPGA、外部信息采集模块采集的信息经内部SRAM处理，由外部总线接IDE接口或HOST/DeviceUSB接口连本地大容量存储硬盘，提供海洋监测用户长期持久的信息存储功能。

(17)远程通信模块：ARM处理器发送AT指令，经GPRS、卫通模块将实时监测信息以无线传输方式及时发送到岸站；通过无线通信模块将所采集的船舶运行状况信息发送至远程服务器，以供企业或政府职能部门查阅。

(18)ARM处理器通过控制信号线与LCD屏幕驱动器相连，具有多个虚拟显示屏功能，硬件支持屏幕水平/垂直卷轴滚动。

(19)电源模块。通过变压器、整流电路和稳压电路等为数据采集器其他模块提供稳定的直流工作电压。电源是交流市电时，可以使用不间断电源UPS，保证系统不断电，不丢失重要数据。当无市电电力时，外部电源是电池，电池一般选用太阳能电池，满足数据采集器野外工作、无人值守的要求，为提高通用性，电源模块要设计成交直流两用型。

(20)远程控制。岸上控制中心利用卫通、GPRS网络运行Socket服务器程序用于与船上ARM-LINUX系统进行通讯、控制，网络上接收到数据帧，经协议处理模块拆封之后，提取上位机控制信息，经串口通讯实现系统开关机等操作。

以上所述，仅是发明的较佳实施方式，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明实质对以上实施方式所作的任何修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种船载多元海洋信息采集系统，包括软件部分和硬件部分两大部分；硬件部分包括FPGA雷达采集模块、渔探声呐采集模块、AIS采集模块、系统存储模块、显示终端、外部信息采集模块、卫通、GPRS无线模块和导航雷达、单(多波束)渔探仪、视频监控、AIS、风向风速仪、温湿度仪、大气压力传感器、温盐度剖面仪、声速剖面仪、DGPS、姿态传感器；

软件部分包括LINUX软件数据处理模块，LINUX软件数据处理模块包括采集控制、地址分配、海图叠加、定位显示、航迹处理和转向避碰功能；

ARM处理器作为核心主控制器，FPGA作为协处理器；ARM通过外部数据总线、地址线、中断信号控制连接FPGA板；ARM扩展外围接口连网络交换机，网络交换机与外部信息采集模块、无线通信模块和摄像头等总线相连接，通过串口与AIS、罗经相连，通过LCD专用接口与LCD显示器相连；ARM、FPGA、外部信息采集模块和网络交换机都与电源模块电性连接；

ARM处理器外围电路扩展串口、网口和USB接口，ARM经RS422串口连接罗经、GPS；经网络交换机连接外部信息采集模块、GPRS模块和卫星通信模块；

FPGA通过RS422串口与导航雷达、渔探仪声呐相连，导航雷达、渔探仪的信号经调理电路进入FPGA扩展接入的AD模数转换器，并将转换的数据按照顺序存储到双口RAM中，当转换数据存储满后中断ARM处理器，并通过数据总线传输至ARM处理器；

FPGA逻辑程序控制数据总线、地址总线实现IP初始化配置、数据读写及ARM通信；ARM通过UDP协议实现FPGA通信；ARM处理器CPU将FPGA映射成系统的存储器进行访问，根据数据指针读写FPGA的FIFO数据寄存器完成数据的读取、写入；

外部信息采集模块包括扩展多串口、网口和USB口，外部信息采集模块内置单片机，单片机配置多个RS422串口与风向风速仪、温湿度仪、大气压力传感器、温盐度剖面仪、声速剖面仪和姿态传感器相连；外部信息采集模块，集成和配置多个RS232\484\422串口，可按需灵活接入和预留采集多路信号，模块的信号输入接口包含有多路，分别与采集模块的多路输入端口对应连接；

利用协议转换器将RS232串行通讯口的设备成为RJ45网口联网功能的网络外设，并能通过局域网得到远程主机的支持，外部信息采集模块通过串口协议转换与网络路由器互连；

网络交换机配置6-8个网口，网络路由器将FPGA、ARM、外部信息采集模块、摄像头相连接；外部信息采集模块的协议转换器使串行设备快速接入以太网，利用TCP/IP协议进行串口数据包的传输，负责数据的双向透明传送，实现RS232C/485/422转TCP/IP协议网关，完成对各端口的监听和数据的双向传输；

远程通信模块包括卫星通信、GPRS模块；无线通信模块由RS232串口经转换网口后与ARM板相连；

外部信息采集模块单片机通过RS422串口与风向风速仪相连，输出为模拟量的气象传感器进行模/数转换后，由单片机的I/O口读入风速风向仪器的输出；外部信息采集模块单片机通过RS232串口与GPS串口相连，由单片机的I/O口读入GPS的数据；

ARM板通过RS232串口与罗经相连，采集船舶当前航向信息；ARM板通过网口与监控摄像头相连，基于ARM的嵌入式视频服务端通过硬件驱动、LINUX socket和多线程技术获取、传输海上环境和目标的视频监控画面；

多路开关的公共端连接A/D转换器，将输入一路的模拟信号输出至A/D转换器进行模数转换处理后，输出数字信号至采集处理板；海洋环境仪器的数字信号输入：在所述串口模块中包含有多路RS-232接口，通过串口扩展电路连接处理器的DART接口；

岸上控制中心利用卫通、GPRS网络运行Socket服务器程序用于与船上ARM-LINUX系统进行通讯、控制，网络上接收到数据帧，经协议处理模块拆封之后，提取上位机控制信息，经串口通讯实现系统开关机；ARM处理器按照一定的频率要求将FPGA、外部信息采集模块采集的信息经内部SRAM处理，由外部总线接IDE接口及HOST/Device USB接口连本地大容量存储硬盘；

ARM处理器发送AT指令，经GPRS、卫通模块将实时监测信息以无线传输方式及时发送到岸站，通过无线通信模块将所采集的船舶运行状况信息发送至远程服务器。