CN109269559A - 太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船及其应用 - Google Patents

太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船及其应用，所述无人船包括玻璃钢船体以及设置于玻璃钢船体上的低功耗单片机、太阳能模块、电源、串口转换模块、卫星通讯模块、传感器模块和推进器，所述低功耗单片机分别连接太阳能模块、电源、串口转换模块、传感器模块和推进器，所述串口转换模块与卫星通讯模块连接，其中，低功耗单片机根据卫星通讯模块接收的位置指令，控制推进器带动无人船至指定位置，低功耗单片机在指定位置处接收传感器模块的采集数据，进行处理后，依次通过串口转换模块和卫星通讯模块传输给远程服务器，实现自动化海洋数据采集。与现有技术相比，本发明具有能耗低、自动化程度高、适应性强等优点。

Description

太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船及其应用
技术领域
本发明涉及自动化技术，涉及一种海洋数据自动采集装置，尤其是涉及一种太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船及其应用。
背景技术
为了了解海洋，合理利用海洋，促进海洋经济的健康、可持续性发展，需要获得大量的海洋数据。在“数字海洋”及国家海洋公益项目建设成果基础上，海洋信息化水平有了长足的发展，涉及到海洋物理、海洋生物、海洋化学、海洋气象、海洋经济、海岸带等多个研究领域。
现有的海洋数据采集手段主要有航空遥感、卫星遥感、海洋调查船、海洋台站和海洋数据浮标等。这些大型的海洋数据采集方式燃料机械发电或电池供电，且需要人工进行操作设备和人工数据筛选处理，自动化程序不高。在数据传输方面通过有线数据传输或手工数据下载方式完成，不能达到数据无线实时传输的监测效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，包括玻璃钢船体以及设置于玻璃钢船体上的低功耗单片机、太阳能模块、电源、串口转换模块、卫星通讯模块、传感器模块和推进器，所述低功耗单片机分别连接太阳能模块、电源、串口转换模块、传感器模块和推进器，所述串口转换模块与卫星通讯模块连接，其中，
低功耗单片机根据卫星通讯模块接收的位置指令，控制推进器带动无人船至指定位置，低功耗单片机在指定位置处接收传感器模块的采集数据，进行处理后，依次通过串口转换模块和卫星通讯模块传输给远程服务器，实现自动化海洋数据采集。
进一步地，所述低功耗单片机采用Pro Trinket单片机。
进一步地，所述太阳能模块包括相连接的整流降压电路和柔性太阳能板，所述整流降压电路分别连接低功耗单片机和电源。
进一步地，所述电源为可充电锂电池。
进一步地，所述卫星通讯模块采用具有GPS定位功能的AP3芯片。
进一步地，所述传感器模块包括数字式数据采集传感器和磁针传感器。
进一步地，所述数字式温度传感器、数字式湿度传感器、数字式盐度传感器、数字式风速传感器、数字式PH值传感器、摄像头中一个或多个。
进一步地，所述低功耗单片机、太阳能模块和电源组成一单片机处理单元，所述单片机处理单元设有两套，分别通过串口转换模块与卫星通讯模块连接，一套单片机处理单元连接数字式数据采集传感器，用于实现海洋数据采集，另一套分别连接磁针传感器和推进器，实现无人船至指定位置的自动移动。
一种如所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船的自动化海洋数据采集方法，该方法包括以下步骤：
1)卫星通讯模块接收远程服务器的位置指令，通过串口转换模块传输给低功耗单片机；
2)低功耗单片机接收磁针传感器的信号，获得无人船的当前位置，将所述当前位置与位置指令进行比对，根据比对结果控制推进器工作，无人船移动至指定位置；
3)低功耗单片机在指定位置处接收数字式数据采集传感器的采集数据，进行处理后，依次通过串口转换模块和卫星通讯模块传输给远程服务器，实现自动化海洋数据采集。
进一步地，所述步骤3)中，低功耗单片机对采集数据进行的处理包括数据筛选、数据加工和数据格式化。
与现有技术相比，本发明利用太阳能为能源、以自研发单片机自动化数据采集方法和单片机卫星导航为核心，结合卫星通讯技术、搭载自设计定制的玻璃钢小船，形成现代化海洋数据采集设备，实现了海洋数据采集方面的无人化和自动化，具有以如下有益效果：
1)自动化技术方面：性能强大的计算机结合软件程序固然能完成自动化的数据采集任务，但其能耗高、体积大的属性也引发能源供应、设备安装等一系列的问题。本发明以单片机为处理核心，结合自编程自动化程序同样可以完成数据的自动化采集及装置的自动运行，且具备体积小、能耗低、宜安装、价格便宜等特点。
2)能源供应方面：本发明利用太阳能板和可充电锂电池组合供电，白天太阳能板给设备供电和给锂电池充电，晚上由电池给设备供电，这样保证设备的可持续供电，而且太阳能是可再生能源，为设备长期供电提供了保障。
3)信息传输方面：本发明采用全球卫星数据传输方式，克服了数据传输区域局限性，它是通过低轨通讯卫星传输数据，它可以实现全球性的实时数据传输，为建立更大的监控网奠定基础。
4)造船技术方面：本发明的船体设计是基于F5级帆船模型改造船，采用强度高的玻璃钢材质，重尾鳍，双推进器安装在船尾部，具有体积小、防侧翻、强度高、易操作等特点。
5)导航方面：本发明采用卫星通讯数据传输导航，真正实现远程操控导航。
6)适应性方面：本发明可以实现对海上极端恶性天气的监测，如海上台风区域浪高等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明自动化数据采集流程示意图；
图3为本发明自动化运动流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，是具有单片机卫星导航系统的动力小船搭载单片机自动化的数据采集系统组建成一个独立的、全球性的、自动化的、实时数据传输的数据采集设备。如图1所示，本实施例提供的无人船包括玻璃钢船体以及设置于玻璃钢船体上的低功耗单片机1、太阳能模块2、电源3、串口转换模块4、卫星通讯模块5、传感器模块6和推进器7，低功耗单片机1分别连接太阳能模块2、电源3、串口转换模块4、传感器模块6和推进器7，串口转换模块4与卫星通讯模块5连接，其中，低功耗单片机1根据卫星通讯模块5接收的位置指令，控制推进器7带动无人船至指定位置，低功耗单片机1在指定位置处接收传感器模块6的采集数据，进行处理后，依次通过串口转换模块4和卫星通讯模块5传输给远程服务器，实现自动化海洋数据采集。该设备利用低能耗的单片机为控制中心，结合自编程程序分别构建自动化数据采集模块和卫星导航模块。
低功耗单片机1采用Pro Trinket单片机，是整个系统的处理中心，相当于系统大脑，可通过计算机加载程序，从传感器获取数据，然后对数据进行筛选、处理后发送。
太阳能模块2包括相连接的整流降压电路和柔性太阳能板，整流降压电路分别连接低功耗单片机1和电源3。本实施例中，电源3为可充电锂电池，白天通过柔性太阳能板对电池充电和给单片机供电，晚上通过电池给单片机供电，实现可再生的能源供应。
串口转换模块4为UART转RS485串口通讯芯片，用于实现单片机与卫星数据传输模块的交互。
卫星通讯模块5采用具有GPS定位功能、AssetLink公司生产的AP3芯片，为低轨通讯卫星数据传输芯片。卫星通讯模块5也可采用北斗通讯芯片。
传感器模块6包括数字式数据采集传感器和磁针传感器，其中数字式温度传感器、数字式湿度传感器、数字式盐度传感器、数字式风速传感器、数字式PH值传感器、摄像头中一个或多个。本实施例中采用DS18B20数字温度传感器，输出的是数字信号，此温度传感器具有体积小、精度高、易封装等特点。
在某些实施例中，低功耗单片机1、太阳能模块2和电源3组成一单片机处理单元，单片机处理单元设有两套，分别通过串口转换模块4与卫星通讯模块5连接，一套单片机处理单元连接数字式数据采集传感器，用于实现海洋数据采集，另一套分别连接磁针传感器和推进器7，实现无人船至指定位置的自动移动及导航。两套单片机处理单元分别拥有单片机核心，是独立的系统，两系统的交集是卫星通讯设备，也就是说两系统共用卫星通讯。
推进器7设有两个，通过两个电机的转速差实现方向变化。
采用上述太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船进行自动化海洋数据采集的方法，包括以下步骤：
1)卫星通讯模块5接收远程服务器的位置指令，通过串口转换模块4传输给低功耗单片机1。
2)低功耗单片机1接收磁针传感器的信号，获得无人船的当前位置，将当前位置与位置指令进行比对，根据比对结果控制推进器7工作，无人船移动至指定位置。
如图3所示，根据比对结果控制推进器7工作具体为：位置指令获取指定位置，根据船当前位置计算出航行方位，再通过从磁针传感器获取现在船的行驶方位与航行方位比较判断左右转向，单片机通过转向信息控制两推进器速度达到调整小船行驶的方向，从而使小船驶向设定的位置。通过控制两推进器的速度来控制船行驶方向的原理很简单：让船向左转，设定右推进器的速度大于左边的；让船向右转，设定右推进器的速度小于左边的。
3)低功耗单片机1在指定位置处接收数字式数据采集传感器的采集数据，进行处理，包括数据筛选、数据加工和数据格式化等，然后依次通过串口转换模块4和卫星通讯模块5传输给远程服务器，实现自动化海洋数据采集，如图2所示。
上述设备利用可再生能源太阳能、体积小低能耗的单片机加载自编程程序、卫星数据传输方式，以自制小船组建独立的、全球性的、自动化的现代化海洋数据采集设备。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，包括玻璃钢船体以及设置于玻璃钢船体上的低功耗单片机(1)、太阳能模块(2)、电源(3)、串口转换模块(4)、卫星通讯模块(5)、传感器模块(6)和推进器(7)，所述低功耗单片机(1)分别连接太阳能模块(2)、电源(3)、串口转换模块(4)、传感器模块(6)和推进器(7)，所述串口转换模块(4)与卫星通讯模块(5)连接，其中，
低功耗单片机(1)根据卫星通讯模块(5)接收的位置指令，控制推进器(7)带动无人船至指定位置，低功耗单片机(1)在指定位置处接收传感器模块(6)的采集数据，进行处理后，依次通过串口转换模块(4)和卫星通讯模块(5)传输给远程服务器，实现自动化海洋数据采集。
2.根据权利要求1所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，所述低功耗单片机(1)采用Pro Trinket单片机。
3.根据权利要求1所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，所述太阳能模块(2)包括相连接的整流降压电路和柔性太阳能板，所述整流降压电路分别连接低功耗单片机(1)和电源(3)。
4.根据权利要求1所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，所述电源(3)为可充电锂电池。
5.根据权利要求1所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，所述卫星通讯模块(5)采用具有GPS定位功能的AP3芯片。
6.根据权利要求1所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，所述传感器模块(6)包括数字式数据采集传感器和磁针传感器。
7.根据权利要求6所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，所述数字式温度传感器、数字式湿度传感器、数字式盐度传感器、数字式风速传感器、数字式PH值传感器、摄像头中一个或多个。
8.根据权利要求6所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船，其特征在于，所述低功耗单片机(1)、太阳能模块(2)和电源(3)组成一单片机处理单元，所述单片机处理单元设有两套，分别通过串口转换模块(4)与卫星通讯模块(5)连接，一套单片机处理单元连接数字式数据采集传感器，用于实现海洋数据采集，另一套分别连接磁针传感器和推进器(7)，实现无人船至指定位置的自动移动。
9.一种如权利要求6所述的太阳能自动化海洋数据采集卫星导航无人船的自动化海洋数据采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)卫星通讯模块(5)接收远程服务器的位置指令，通过串口转换模块(4)传输给低功耗单片机(1)；
2)低功耗单片机(1)接收磁针传感器的信号，获得无人船的当前位置，将所述当前位置与位置指令进行比对，根据比对结果控制推进器(7)工作，无人船移动至指定位置；
3)低功耗单片机(1)在指定位置处接收数字式数据采集传感器的采集数据，进行处理后，依次通过串口转换模块(4)和卫星通讯模块(5)传输给远程服务器，实现自动化海洋数据采集。
10.根据权利要求9所述的自动化海洋数据采集方法，其特征在于，所述步骤3)中，低功耗单片机(1)对采集数据进行的处理包括数据筛选、数据加工和数据格式化。
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