CN110562391A - 一种深海资料浮标系统 - Google Patents

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周蓓锋
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Abstract

本发明公开的深海资料浮标系统，包括浮标体及搭载在浮标体上的锚系、传感器系统、数据采集控制系统、信息传输系统、安全定位系统和供电系统，浮标体定点投放于深海海域，锚系连接在浮标体的底部，浮标体上安装有GPS模块、铱星通信模块和北斗通信模块；该深海资料浮标系统的数据采集至数据发送这一主体功能通道为冗余配置，可靠性更强。其中，数据采集控制系统采用双采集系统和双控制器独立工作的模式，增加了内部数据传输链路的稳定性和可靠性；同时，信息传输系统采用铱星通信和北斗通信互为备份，向服务客户端实时传输气象和水文数据，保证了外部信息传输链路的可靠性。本深海资料浮标系统具有可靠性强、安全性高、智能化与模块化的特点。

Description

一种深海资料浮标系统
技术领域
本发明涉及浮标领域，具体是一种深海资料浮标系统。
背景技术
海洋占地球表面积的71％，蕴藏着无尽的资源，一直是人类历史进程中具有战略意义的领域。加大对海洋气候、环境参数的监测力度，不仅有助于人类更好地开发海洋资源，还能为预报、解决环境问题、减小自然灾害提供帮助。当前，获取海洋环境资料的途径主要有四种：沿岸海洋站、船舶走航、卫星遥感和海洋资料浮标。其中，沿岸海洋站只能获取近海资料，船舶走航数据测量样本小、周期短，而卫星遥感数据准确度不高，可测参数种类少。
申请号为201811151511.8的中国发明专利公开的一种海洋浮标监测系统，虽然涉及海洋浮标监测，但是仅仅适用于近海的水文和气象监测。申请号为201410039217.3的中国发明专利公开的一种基于感应耦合和卫星通信技术的深海观测浮标系统，通过感应耦合技术能够实现水下多达100个传感器的数据采集，然而该深海观测浮标系统通常部署在外海，通信信号不稳定，而且浮标易遭受自然或人为的破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种可靠性强、安全性高、智能化与模块化的深海资料浮标系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种深海资料浮标系统，包括浮标体及搭载在浮标体上的锚系、传感器系统、数据采集控制系统、信息传输系统、安全定位系统和供电系统，所述的浮标体定点投放于深海海域，所述的锚系连接在所述的浮标体的底部，所述的浮标体上安装有用于获取浮标的经纬度信息的GPS模块、铱星通信模块和北斗通信模块；
所述的传感器系统用于实时采集气象和水文数据，并将采集的气象和水文数据传输给所述的数据采集控制系统；
所述的数据采集控制系统由第一主控核心、第二主控核心、数据交换系统、具备数据存储与补发功能的第一SD卡数据管理系统和第二SD卡数据管理系统组成；所述的数据交换系统用于实时接收所述的传感器系统传输的气象和水文数据，并向所述的第一主控核心和所述的第二主控核心传输气象和水文数据；所述的第一主控核心用于将接收的气象和水文数据存储至所述的第一SD卡数据管理系统，并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给所述的信息传输系统；所述的第二主控核心用于将接收的气象和水文数据存储至所述的第二SD卡数据管理系统，并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给所述的信息传输系统；所述的第一主控核心和所述的第二主控核心完全相同且分别按照各自的时序独立工作，并同时通过所述的数据交换系统共享数据和读取对方的状态；
所述的信息传输系统由第一北斗铱星终端、第二北斗铱星终端和第三北斗铱星终端组成，所述的第一北斗铱星终端和所述的第二北斗铱星终端搭载在所述的浮标体上，所述的第三北斗铱星终端安装在陆地地面上，所述的第一北斗铱星终端和所述的第二北斗铱星终端分别与所述的第三北斗铱星终端卫星通讯连接，所述的第三北斗铱星终端与服务客户端卫星通讯连接；所述的第一北斗铱星终端用于接收所述的第一主控核心传输的数字信号，并将接收的数字信号传输至所述的第三北斗铱星终端；所述的第二北斗铱星终端用于接收所述的第二主控核心传输的数字信号，并将接收的数字信号传输至所述的第三北斗铱星终端；所述的第三北斗铱星终端用于将接收的数字信号按协定的报文协议传输给所述的服务客户端；
所述的安全定位系统用于在意外情况下向所述的数据采集控制系统发送报警指令，由所述的数据采集控制系统将所述的报警指令通过所述的信息传输系统传输给所述的服务客户端；
所述的供电系统用于向所述的传感器系统、所述的数据采集控制系统、所述的信息传输系统和所述的安全定位系统提供电力；
所述的服务客户端用于对所述的信息传输系统传输的数据进行接收、存储、警报和显示，供用户查看和分析数据并及时了浮标状况。
作为优选，所述的浮标体包括浮标舱体和塔架，所述的塔架固定在所述的浮标舱体的顶部；所述的塔架上分别安装有天线和避雷针，所述的GPS模块、铱星通信模块和北斗通信模块分别安装在所述的塔架上。
作为优选，所述的浮标舱体的中部嵌入安装有设备舱，所述的浮标舱体的两侧穿设有仪器井，两个所述的仪器井的上部分别安装有采用钥匙开闭的防盗井盖；所述的传感器系统包括风速风向传感器、气象传感器、波浪传感器、温盐深传感器和声学多普勒流速剖面仪，所述的风速风向传感器和所述的气象传感器分别安装在所述的塔架上，所述的波浪传感器和所述的数据采集控制系统分别安装在所述的设备舱内，所述的温盐深传感器和所述的声学多普勒流速剖面仪分别安装在两个所述的仪器井内。通过上述传感器系统可向数据采集控制系统提供较为全面的实时气象和水文数据，其中，风速风向传感器用于采集风速和风向信息，气象传感器用于采集气温和气压信息，波浪传感器用于采集浪高、浪向和波浪周期信息，温盐深传感器用于采集相对湿度、海水温度和海水盐度信息，声学多普勒流速剖面仪用于采集流速信息。
作为优选，所述的浮标舱体包括外壳、舱盖和内置的支撑骨架，所述的外壳由多块扇形壳体组合拼接而成，所述的舱盖上焊接有若干吊环；所述的塔架由钢架结构焊接而成，所述的塔架的底部焊接有四块角钢，所述的四块角钢通过若干螺栓固定在所述的舱盖上。扇形壳体组合拼接而成的外壳，方便运输和装配。吊环的设计，方便回收时勾取浮标舱体。
作为优选，所述的安全定位系统包括航标灯、雷达反射器、防盗开关、液位传感器、定位报警模块和AIS助航设备，所述的航标灯、所述的雷达反射器和所述的AIS助航设备分别安装在所述的塔架上，所述的防盗开关安装在所述的舱盖上，所述的液位传感器安装在所述的设备舱内，所述的定位报警模块包括移位报警单元、开舱报警单元和进水报警单元；所述的移位报警单元用于在所述的GPS模块、所述的铱星通信模块和所述的北斗通信模块获取的浮标的经纬度位置偏离预设位置时，通过所述的GPS模块向所述的服务客户端发出移位报警指令；所述的开舱报警单元用于在所述的防盗开关被触发时，向所述的数据采集控制系统发出开舱报警指令，并由所述的信息传输系统将开舱报警指令传输至所述的服务客户端；所述的进水报警单元用于在所述的液位传感器检测到所述的设备舱内的水位线超过预设高度时，向所述的数据采集控制系统发出进水报警指令，并由所述的信息传输系统将进水报警指令传输至所述的服务客户端；所述的AIS助航设备用于将浮标的GPS位置信息发送至附近的船舶，以避免碰撞。雷达反射器可提高船用导航雷达对浮标的识别能力。上述安全定位系统赋予本发明深海资料浮标系统更好的安全性。其中，移位报警单元能够判断浮标是否移位，开舱报警单元能够判断浮标是否遭到人为性质的破坏，进水报警单元能够判断浮标是否遭到自然风浪的破坏，AIS助航设备可防止浮标与附近的船舶发生碰撞，从而整体提高本发明深海资料浮标系统的安全性。
作为优选，所述的锚系为单点式锚系，所述的锚系包括自上而下依次连接的卸扣、机械转环、第一锚链、第一缆绳、压载块、浮球、第二缆绳、第二锚链和铸铁锚，所述的卸扣固定在所述的浮标舱体的底部。
作为优选，所述的供电系统由若干太阳能电池板和若干大容量免维护蓄电池组合而成，所述的若干大容量免维护蓄电池安装在所述的设备舱内。
作为优选，所述的浮标舱体的上半侧安装有浮标体甲板，所述的浮标体甲板与水平面的夹角为30～60°，所述的若干太阳能电池板嵌设在所述的浮标体甲板的表面。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明公开的深海资料浮标系统的数据采集至数据发送这一主体功能通道为冗余配置，可靠性更强。其中，数据采集控制系统采用双采集系统和双控制器独立工作的模式，增加了内部数据传输链路的稳定性和可靠性；同时，信息传输系统采用铱星通信和北斗通信互为备份，向服务客户端实时传输气象和水文数据，保证了外部信息传输链路的可靠性。本深海资料浮标系统具有可靠性强、安全性高、智能化与模块化的特点。
附图说明
图1为实施例中深海资料浮标系统的外观图；
图2为实施例中浮标舱体和塔架的连接示意图；
图3为实施例中浮标舱体的局剖示意图；
图4为实施例中塔架的外观图；
图5为实施例中传感器系统、数据采集控制系统、信息传输系统及服务客户端的连接框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例的深海资料浮标系统，如图所示，包括浮标体及搭载在浮标体上的锚系、传感器系统、数据采集控制系统、信息传输系统、安全定位系统和供电系统，浮标体定点投放于深海海域，锚系连接在浮标体的底部，浮标体上安装有用于获取浮标的经纬度信息的GPS模块23、铱星通信模块24和北斗通信模块25。
浮标体包括浮标舱体1和塔架2，塔架2固定在浮标舱体1的顶部；塔架2上分别安装有天线21、避雷针22、GPS模块23、铱星通信模块24和北斗通信模块25；浮标舱体1的中部嵌入安装有设备舱11，浮标舱体1的两侧穿设有仪器井12，两个仪器井12的上部分别安装有采用钥匙开闭的防盗井盖13。浮标舱体1包括外壳14、舱盖15和内置的不锈钢制成的支撑骨架16，外壳14由四块扇形壳体组合拼接而成，舱盖15上焊接有四个吊环17；塔架2由钢架结构焊接而成，塔架2的底部焊接有四块角钢18，四块角钢18通过若干螺栓固定在舱盖15上。
锚系为单点式锚系，锚系包括自上而下依次连接的卸扣31、机械转环32、第一锚链33、第一缆绳34、压载块35、浮球36、第二缆绳37、第二锚链38和铸铁锚39，卸扣31固定在浮标舱体1的底部。其中，卸扣31的直径规格为30mm，布放时对卸扣31与浮标舱体1的底部连接处灌锡用于防腐，第一锚链33和第二锚链38的单根长度分别为27m，第一缆绳34和第二缆绳37分别选择直径30mm的丙纶缆绳。
传感器系统用于实时采集气象和水文数据，并将采集的气象和水文数据传输给数据采集控制系统。传感器系统包括风速风向传感器41、气象传感器42、波浪传感器43、温盐深传感器(图中未示出)和声学多普勒流速剖面仪，风速风向传感器41和气象传感器42分别安装在塔架2上，波浪传感器43和数据采集控制系统分别安装在设备舱11内，温盐深传感器和声学多普勒流速剖面仪分别安装在两个仪器井12内。
数据采集控制系统由第一主控核心、第二主控核心、数据交换系统、具备数据存储与补发功能的第一SD卡数据管理系统和第二SD卡数据管理系统组成；数据交换系统用于实时接收传感器系统传输的气象和水文数据，并向第一主控核心和第二主控核心传输气象和水文数据；第一主控核心用于将接收的气象和水文数据存储至第一SD卡数据管理系统，并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给信息传输系统；第二主控核心用于将接收的气象和水文数据存储至第二SD卡数据管理系统，并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给信息传输系统；第一主控核心和第二主控核心完全相同且分别按照各自的时序独立工作，并同时通过数据交换系统共享数据和读取对方的状态。
信息传输系统由第一北斗铱星终端、第二北斗铱星终端和第三北斗铱星终端组成，第一北斗铱星终端和第二北斗铱星终端搭载在浮标体上，第三北斗铱星终端安装在陆地地面上，第一北斗铱星终端和第二北斗铱星终端分别与第三北斗铱星终端卫星通讯连接，第三北斗铱星终端与服务客户端卫星通讯连接；第一北斗铱星终端用于接收第一主控核心传输的数字信号，并将接收的数字信号传输至第三北斗铱星终端；第二北斗铱星终端用于接收第二主控核心传输的数字信号，并将接收的数字信号传输至第三北斗铱星终端；第三北斗铱星终端用于将接收的数字信号按协定的报文协议传输给服务客户端。
安全定位系统用于在意外情况下向数据采集控制系统发送报警指令，由数据采集控制系统将报警指令通过信息传输系统传输给服务客户端。安全定位系统包括航标灯51、雷达反射器52、防盗开关53、液位传感器54、定位报警模块55和AIS助航设备56，航标灯51、雷达反射器52和AIS助航设备56分别安装在塔架2上，防盗开关53安装在舱盖15上，液位传感器54安装在设备舱11内，定位报警模块55包括移位报警单元、开舱报警单元和进水报警单元；移位报警单元用于在GPS模块23、铱星通信模块24和北斗通信模块25获取的浮标的经纬度位置偏离预设位置时，通过GPS模块23向服务客户端发出移位报警指令；开舱报警单元用于在防盗开关53被触发时，向数据采集控制系统发出开舱报警指令，并由信息传输系统将开舱报警指令传输至服务客户端；进水报警单元用于在液位传感器54检测到设备舱11内的水位线超过预设高度(例如10cm)时，向数据采集控制系统发出进水报警指令，并由信息传输系统将进水报警指令传输至服务客户端；AIS助航设备56用于将浮标的GPS位置信息发送至附近的船舶，以避免碰撞。
供电系统用于向传感器系统、数据采集控制系统、信息传输系统和安全定位系统提供电力。供电系统由四块太阳能电池板61和四块大容量免维护蓄电池62组合而成，四块大容量免维护蓄电池62安装在设备舱11内，本实施例中，大容量免维护蓄电池62选择阀控式密封铅酸蓄电池，无游离酸，电池可倒放90°安全使用；浮标舱体1的上半侧安装有浮标体甲板19，浮标体甲板19与水平面的夹角为45°，四块太阳能电池板61嵌设在浮标体甲板19的表面。
服务客户端用于对信息传输系统传输的数据进行接收、存储、警报和显示，供用户查看和分析数据并及时了浮标状况。
本浮标系统由船舶运输至深海海域进行定点投放使用，投放后，锚系锚定浮标体于海上。使用过程中，数据交换系统分别采集风速风向传感器41、气象传感器42、波浪传感器43、温盐深传感器44和声学多普勒流速剖面仪45采集的气象和水文数据并同时传输给第一主控核心和第二主控核心，第一主控核心将数据交换系统传输的气象和水文数据存储至第一SD卡数据管理系统并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给第一北斗铱星终端，第二主控核心将数据交换系统传输的气象和水文数据存储至第二SD卡数据管理系统并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给第二北斗铱星终端。其中第一北斗铱星终端和第二北斗铱星终端同时将接收的数字信号传递给陆地地面的第三北斗铱星终端，由第三北斗铱星终端按协定的报文协议传输给服务客户端。

Claims (8)

1.一种深海资料浮标系统，其特征在于，包括浮标体及搭载在浮标体上的锚系、传感器系统、数据采集控制系统、信息传输系统、安全定位系统和供电系统，所述的浮标体定点投放于深海海域，所述的锚系连接在所述的浮标体的底部，所述的浮标体上安装有用于获取浮标的经纬度信息的GPS模块、铱星通信模块和北斗通信模块；
所述的传感器系统用于实时采集气象和水文数据，并将采集的气象和水文数据传输给所述的数据采集控制系统；
所述的数据采集控制系统由第一主控核心、第二主控核心、数据交换系统、具备数据存储与补发功能的第一SD卡数据管理系统和第二SD卡数据管理系统组成；所述的数据交换系统用于实时接收所述的传感器系统传输的气象和水文数据，并向所述的第一主控核心和所述的第二主控核心传输气象和水文数据；所述的第一主控核心用于将接收的气象和水文数据存储至所述的第一SD卡数据管理系统，并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给所述的信息传输系统；所述的第二主控核心用于将接收的气象和水文数据存储至所述的第二SD卡数据管理系统，并将接收的气象和水文数据实时加工处理为数字信号并传输给所述的信息传输系统；所述的第一主控核心和所述的第二主控核心完全相同且分别按照各自的时序独立工作，并同时通过所述的数据交换系统共享数据和读取对方的状态；
所述的信息传输系统由第一北斗铱星终端、第二北斗铱星终端和第三北斗铱星终端组成，所述的第一北斗铱星终端和所述的第二北斗铱星终端搭载在所述的浮标体上，所述的第三北斗铱星终端安装在陆地地面上，所述的第一北斗铱星终端和所述的第二北斗铱星终端分别与所述的第三北斗铱星终端卫星通讯连接，所述的第三北斗铱星终端与服务客户端卫星通讯连接；所述的第一北斗铱星终端用于接收所述的第一主控核心传输的数字信号，并将接收的数字信号传输至所述的第三北斗铱星终端；所述的第二北斗铱星终端用于接收所述的第二主控核心传输的数字信号，并将接收的数字信号传输至所述的第三北斗铱星终端；所述的第三北斗铱星终端用于将接收的数字信号按协定的报文协议传输给所述的服务客户端；
所述的安全定位系统用于在意外情况下向所述的数据采集控制系统发送报警指令，由所述的数据采集控制系统将所述的报警指令通过所述的信息传输系统传输给所述的服务客户端；
所述的供电系统用于向所述的传感器系统、所述的数据采集控制系统、所述的信息传输系统和所述的安全定位系统提供电力；
所述的服务客户端用于对所述的信息传输系统传输的数据进行接收、存储、警报和显示，供用户查看和分析数据并及时了浮标状况。
2.根据权利要求1所述的一种深海资料浮标系统，其特征在于，所述的浮标体包括浮标舱体和塔架，所述的塔架固定在所述的浮标舱体的顶部；所述的塔架上分别安装有天线和避雷针，所述的GPS模块、铱星通信模块和北斗通信模块分别安装在所述的塔架上。
3.根据权利要求2所述的一种深海资料浮标系统，其特征在于，所述的浮标舱体的中部嵌入安装有设备舱，所述的浮标舱体的两侧穿设有仪器井，两个所述的仪器井的上部分别安装有采用钥匙开闭的防盗井盖；所述的传感器系统包括风速风向传感器、气象传感器、波浪传感器、温盐深传感器和声学多普勒流速剖面仪，所述的风速风向传感器和所述的气象传感器分别安装在所述的塔架上，所述的波浪传感器和所述的数据采集控制系统分别安装在所述的设备舱内，所述的温盐深传感器和所述的声学多普勒流速剖面仪分别安装在两个所述的仪器井内。
4.根据权利要求2所述的一种深海资料浮标系统，其特征在于，所述的浮标舱体包括外壳、舱盖和内置的支撑骨架，所述的外壳由多块扇形壳体组合拼接而成，所述的舱盖上焊接有若干吊环；所述的塔架由钢架结构焊接而成，所述的塔架的底部焊接有四块角钢，所述的四块角钢通过若干螺栓固定在所述的舱盖上。
5.根据权利要求4所述的一种深海资料浮标系统，其特征在于，所述的安全定位系统包括航标灯、雷达反射器、防盗开关、液位传感器、定位报警模块和AIS助航设备，所述的航标灯、所述的雷达反射器和所述的AIS助航设备分别安装在所述的塔架上，所述的防盗开关安装在所述的舱盖上，所述的液位传感器安装在所述的设备舱内，所述的定位报警模块包括移位报警单元、开舱报警单元和进水报警单元；所述的移位报警单元用于在所述的GPS模块、所述的铱星通信模块和所述的北斗通信模块获取的浮标的经纬度位置偏离预设位置时，通过所述的GPS模块向所述的服务客户端发出移位报警指令；所述的开舱报警单元用于在所述的防盗开关被触发时，向所述的数据采集控制系统发出开舱报警指令，并由所述的信息传输系统将开舱报警指令传输至所述的服务客户端；所述的进水报警单元用于在所述的液位传感器检测到所述的设备舱内的水位线超过预设高度时，向所述的数据采集控制系统发出进水报警指令，并由所述的信息传输系统将进水报警指令传输至所述的服务客户端；所述的AIS助航设备用于将浮标的GPS位置信息发送至附近的船舶，以避免碰撞。
6.根据权利要求2所述的一种深海资料浮标系统，其特征在于，所述的锚系为单点式锚系，所述的锚系包括自上而下依次连接的卸扣、机械转环、第一锚链、第一缆绳、压载块、浮球、第二缆绳、第二锚链和铸铁锚，所述的卸扣固定在所述的浮标舱体的底部。
7.根据权利要求3所述的一种深海资料浮标系统，其特征在于，所述的供电系统由若干太阳能电池板和若干大容量免维护蓄电池组合而成，所述的若干大容量免维护蓄电池安装在所述的设备舱内。
8.根据权利要求7所述的一种深海资料浮标系统，其特征在于，所述的浮标舱体的上半侧安装有浮标体甲板，所述的浮标体甲板与水平面的夹角为30～60°，所述的若干太阳能电池板嵌设在所述的浮标体甲板的表面。
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