CN109959770A - 一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统及方法 - Google Patents

一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋环境监测技术领域，公开了一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统及方法；包括：数据监测平台，用于通过数据采集平台或直接打开XML文件，设置采集卡的资源描述符、采样点数、采样率和频率参数；海洋环境监测平台，与数据监测平台通过云平台连接，用于实现海洋环境数据的采集和处理。所述海洋环境监测平台进一步包括：监测器、传感器、软件无线电设备、模拟处理机、数据采集卡、RS232总线、计算机。本发明通过无线电设备传输海洋环境要素信息，经过MIMO系统收发信号，以高速数据采集卡代替传统采集设备，对天线信号进行采集和转换处理，保障了数据传输的高效性、准确性和实时性。

Description

一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统及方法
技术领域
本发明属于海洋环境监测技术领域，尤其涉及一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统及方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：海洋的面积广、水域大，为人类提供了丰富的产品资源，对气候有着举足轻重的作用。其生态环境已成为全世界人民的关注焦点，现有的监测系统通过探测设备对海洋环境进行监测时，需要根据海洋不同深度多次重新投放探测设备，不仅不能实现实时监测，而且重复的工作量很大。另一方面，传统数据采集设备的运行状态缺乏有效的管理能力且设备驱动未遵循IVI标准，从而导致数据处理不及时、数据采集精度较低、数据分析效率低以及人工成本高；此外，现有监测系统未能将采集并处理后的数据通过简易的方式实时呈现或通知于监测人员，对人力及物力都是很大的消耗和浪费。因此，针对这一现状，本发明提出了以虚拟仪器设备对数据进行采集和处理，并搭建数据监测平台，通过曲线形式实时显示数据信息，且监测人员可通过计算所得的相关系数预测不同深度的海洋环境要素信息。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有海洋环境监测系统存在：无法实时监测海洋环境、对数据处理不及时、数据采集精度较低、数据分析效率低以及人工成本高。
(2)现有监测系统未能将采集并处理后的数据通过简易的方式实时呈现或通知于监测人员，对人力及物力都是很大的消耗和浪费。
解决上述技术问题的难度：
海洋区域范围广；数据传输方式限制；数据处理及数据管理繁琐。
解决上述技术问题的意义：
能够实时显示海洋环境要素变化；根据计算所得的系数预测海洋不同深度的水质要素信息；支持仪器互换性及系统二次开发。该系统为海洋综合管理提供科学有据的数据信息。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统及方法。
本发明是这样实现的，一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统，所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统包括：
海洋环境监测平台，用于实现海洋水质要素信息的数据采集以及处理。1)系统开启，环境监测平台自动读取相应的XML文件，根据XML文件设置数据采集卡的资源描述符、采样点数、采样率和频率参数等；2)通过将监测器和传感器置于不同深度的海洋领域，监测、获取水质要素信息，并传至基站；3)利用MIMO系统传输信号，经过模拟处理机对信号进行预处理、降频处理及转换处理后，应用高速数据采集卡完成数据采集功能；4)通过上位机并应用Prim算法和最小二乘法获得各要素数据间的最小生成树和相关系数，并存储至数据库。
数据监测平台，与海洋环境监测平台通过云平台连接。1)“当前数据”模块用于实时显示海洋水质要素信息，包括水温、PH值、透明度和盐度等，并将各要素信息绘制成曲线图，同时提供曲线图的打印、存储、导出以及选择性显示等功能；2)“数据查询”模块用于历史数据的查询，根据用户设置的起始日期和截止日期，显示相应的要素信息和存储时间；3)“网络结构”模块用于显示各要素之间的网络图。其次，数据监测平台提供配置接口，用户可通过该接口将设置的采集卡参数信息存储至XML文件。
所述数据监测平台进一步包括：LabVIEW语言模块、Web前端模块、脚本语言开发模块、XML文件模块。
所述LabVIEW语言模块用于编写平台上位机程序，实现系统监测、信息配置、数据采集处理、数据存储和数据交互等功能；所述Web前端模块用于加载JavaScript脚本文件并实现监测平台和数据库的界面交互；所述脚本语言模块用于绘制平台的数据曲线，从而实时显示海洋环境的要素信息；所述XML文件模块用于存储数字采集卡和监测系统的配置信息。
所述海洋环境监测平台进一步包括：监测器、传感器、软件无线电设备、模拟处理机、数据采集卡、RS232总线、计算机。
所述监测器用于对海洋不同深度的水质要素进行监测，获得海洋水质的水温、PH值、透明度和盐度等信息，并经过传感器进行传输；所述传感器用于将水质要素信息按一定规律变换成为电信号并通过软件无线电设备传送给基站；所述软件无线电设备用于将基站的信号传送至实验室的模拟处理机，该系统采用多个天线进行发送和接收；所述模拟处理机用于对接收天线所得到信号进行降频和解调处理；所述数据采集卡是采用多通道的PCIe高速采集设备，用于采集经过模拟处理机预处理的电信号，并通过RS232总线进行数据传输；所述RS232总线用于连接数据采集卡和计算机，将数据采集卡所采集的信息传送至计算机。
本发明的另一目的在于提供一种运行所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法，所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法包括以下步骤：
第一步，海洋环境监测系统开启，基站的无线电设备发射信号，将要素信息通过MIMO系统传输至实验室的无线电设备，经过模拟处理机对信号进行预处理、降频处理及转换处理。系统读取XML文件完成采集卡的参数配置和初始化，通过单端或差分的方式对信号进行采样，并将采样的信号通过A/D转换器变成数字信号，传送至FIFO存储器，再经过RS232总线送给上位机，上位机对所得的数据以最小二乘法进行拟合处理，并将要素信息及相关系数存储至数据库；
第二步，通过数据监测平台，对海洋环境的各要素信息均可实时掌握。数据监测平台基于Web前端和LabVIEW语言开发，通过加载JavaScript脚本文件实现监测平台的界面交互，显示各要素数据信息，并将其以曲线形式展现给监测人员；同时，监测人员可通过设置起始日期和截止日期查询相应的数据信息。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法的海洋环境监测平台。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过无线电设备传输海洋环境要素信息，通过MIMO系统收发信号，成倍的提高了无线信道容量。并以高速数据采集卡代替传统采集设备，对天线信号进行采集和转换处理，保障了数据传输的高效性、准确性和实时性。
本发明的数据采集平台提供了远程控制设备仪器的功能，监测人员可通过手机或计算机初始化采集卡、设置采集卡的参数以及其它操作；同时，该平台应用XML文件对数据采集卡进行配置，且采集卡的驱动遵循IVI标准，支持用户以遵循IVI标准的其它仪器进行替换，只需在该XML文件重新配置即可，该发明支持仪器的可互换性。
本发明的数据监测平台通过云服务和Web前端将海洋环境的数据信息以简易的形式呈现给监测人员，监测人员可通过手机或计算机实时查询监测的海洋环境指标信息。本发明采用Oracle数据库，保证了系统的可靠性和高效性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统结构示意图。
图中：1、数据监测平台；2、海洋环境监测平台。
图2是本发明实施例提供的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法流程图。
图3是本发明实施例提供的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统原理结构示意图。
图4是本发明实施例提供的MIMO系统结构示意图。
图5是本发明实施例提供的数据监测平台示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明包括：监测器、传感器、RS232总线、软件无线电设备、数据采集卡和计算机等设备。通过对海洋环境进行水质监测，并结合虚拟仪器技术和无线电传播技术，形成一个自动的、实时的海洋环境监测系统，为海洋综合管理提供科学有据的数据信息。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统包括：数据监测平台1、海洋环境监测平台2。
数据监测平台1，用于通过数据采集平台或直接打开XML文件，设置采集卡的资源描述符、采样点数、采样率和频率等参数。
海洋环境监测平台2，与数据监测平台1通过云平台连接，用于实现海洋环境数据采集以及处理。
数据监测平台1进一步包括：LabVIEW语言模块、Web前端模块、脚本语言开发模块、XML文件模块。
海洋环境监测平台2进一步包括：监测器、传感器、软件无线电设备、模拟处理机、RS232总线、数据采集卡、计算机。
如图2所示，本发明实施例提供的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法包括以下步骤：
S201：海洋环境监测系统开启，基站的无线电设备发射信号，将要素信息通过MIMO系统传输至实验室的无线电设备，经过模拟处理机对信号进行降频、预处理及转换处理后，读取XML文件，对采集卡的参数进行配置，当配置完成后，采集卡进行初始化并启动采集，并将读取的采集结果传输给计算机控制；此时，计算机将采集所得的数据以最小二乘法进行拟合处理，并存储至数据库；
S202：通过数据监测平台，对海洋环境的各要素信息均可实时掌握。数据监测平台能够显示部分数据信息，并将其以曲线形式展现给监测人员；同时，监测人员可通过设置起始日期和截止日期查询相应的数据信息。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的监测器、传感器和基站构成了海洋环境监测系统的监测装置；无线电设备和MIMO系统构成了海洋环境监测系统的数据传输装置；模拟处理机、数据采集卡、机箱及计算机构成了海洋环境监测系统的数据处理部分；数据库和数据监测平台构成了海洋环境监测系统中简易呈现数据的部分。
参数配置，通过数据采集平台或直接打开XML文件，设置采集卡的资源描述符、采样点数、采样率和频率等参数。
数据处理，海洋环境监测系统开启，基站的无线电设备发射信号，将要素信息通过MIMO系统传输至实验室的无线电设备，经过模拟处理机对信号进行降频、预处理及转换处理后，平台读取XML文件，对采集卡的参数进行配置，当配置完成后，采集卡进行初始化并启动采集，并将读取的采集结果传输给计算机控制；此时，计算机将采集所得的数据以Prim算法最小二乘法进行拟合处理，并将要素信息和相关系数存储至数据库。
数据显示，数据监测平台是基于LabVIEW语言、Web前端以及脚本语言开发，通过数据监测平台，对海洋环境的各要素信息均可实时掌握。数据监测平台能够显示部分数据信息，并将其以曲线形式展现给监测人员；同时，监测人员可通过设置起始日期和截止日期查询相应的数据信息。
本发明实施例提供的附加功能
1)打印，提供打印功能，将曲线图打印并存储。
2)导出，提供导出为图片的功能，包括PNG、JPG和PDF三种格式。
3)选择性显示，监测人员可选取单个或多个环境要素进行监测。
4)二次开发，系统提供二次开发接口，用户可扩展测试程序，从而对海洋环境的其它要素信息进行监测。
证明部分(具体实施例/实验/仿真/药理学分析/能够证明本发明创造性的正面实验数据、证据材料、鉴定报告、商业数据、研发证据、商业合作证据等)
如图5所示，数据监测平台与Oracle数据库交互，实时显示海洋水质的要素信息。本发明实施例提供的技术方法及仪器设备的优势包括：
1.LabVIEW语言和Web前端
LabVIEW采用数据流编程方式，提供很多外观与传统仪器类似的控件，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，监测人员可以根据自己的需要定义和制造各种仪器；Web前端主要是将网站的界面更好的呈现给用户。通过LabVIEW语言和Web前端模块开发并提供了与监测人员进行实时交互的数据监测平台，为海洋综合管理提供科学有据的数据信息。
2.PCIe数据采集卡
PCIe数据采集卡支持多通道数据采集，其采样率能够达到5G/S，具有16bit的分辨率，支持单端信号和差分信号的采集，并采用高速DMA方式将数据传输到上位机进行处理，并存储至Oracle数据库，以满足高速实时采集的应用需求。相比传统采集设备，PCIe数据采集卡大幅度提升了数据采集的效率、精度以及抗干扰能力。
3.MIMO系统
MIMO系统能在不增加带宽的情况下成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率，利用先进的空时编码处理能够分开并解码数据子流，从而对数据实现最佳的处理。
4.XML技术
XML文件是半结构化文本文件，该系统的配置使用XML格式，每种文件的格式通过Schema进行定义，系统通过XML文件对采集卡和海洋水质要素进行配置，提高了海洋环境监测平台和数据监测平台的可配置性和灵活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统，其特征在于，所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统包括：
数据监测平台，用于通过数据采集平台或直接打开XML文件，设置采集卡的资源描述符、采样点数、采样率和频率参数；
海洋环境监测平台，与数据监测平台通过云平台连接，用于实现海洋环境数据采集以及处理。
2.如权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统，其特征在于，所述数据监测平台进一步包括：LabVIEW语言模块、Web前端模块、脚本语言开发模块、XML文件模块。
3.如权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统，其特征在于，所述海洋环境监测平台进一步包括：监测器、传感器、软件无线电设备、模拟处理机、数据采集卡、RS232总线、计算机。
4.一种运行权利要求1所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测系统的基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法，其特征在于，所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法包括以下步骤：
第一步，海洋环境监测系统开启，基站的无线电设备发射信号，将要素信息通过MIMO系统传输至实验室的无线电设备，经过模拟处理机对信号进行降频、预处理及转换处理后，读取XML文件，对采集卡的参数进行配置，配置完成后，采集卡进行初始化并启动采集，并将读取的采集结果传输给计算机控制；此时，计算机将采集所得的数据以最小二乘法进行拟合处理，并存储至数据库；
第二步，通过数据监测平台，对海洋环境的各要素信息均可实时掌握；数据监测平台能够显示部分数据信息，并将其以曲线形式展现给监测人员；同时，监测人员可通过设置起始日期和截止日期查询相应的数据信息。
5.一种应用权利要求4所述基于虚拟仪器技术的海洋环境自动监测方法的海洋环境监测平台。
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