CN111935294A - 一种应用于海洋浮标的双向通信浮标控制系统及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信信息交互技术领域，公开了一种应用于海洋浮标的双向通信浮标控制系统及通信方法，上位机用于连接到物联网透传云，发送控制信号和处理下位机传送的数据信号，存储和实时显示；物联网透传云用于双向传输上下位机的信息；下位机用于接收到上位机的控制指令，通过控制电路操作传感器；控制电路定期收集各传感器的数据，整理和上传到物联网透传云，最后通过上位机展现给用户。本发明不再是传统的单向数据采集的方式，而是双向通讯控制系统。既能实现传统的海洋水文数据实时采集和传送，海洋安全监测的功能，同时还能通过岸站，对浮标进行操控，实现浮标的传感器状态实时监测、姿态调整、保养维护甚至进行简单修复。
Description
技术领域
本发明属于通信信息交互技术领域，尤其涉及一种应用于海洋浮标的双向通信浮标控制系统及通信方法。
背景技术
目前，作为海上一种现代化的观察设备，海洋浮标和卫星通讯和遥感、水声通讯技术一起，构成了从空间，水面和水下对海洋环境和安全进行全方位立体化监控网络。海洋浮标和潜标，已经成为一个海洋国家在领海或经济专属区大量投放的常规化设备。它们具有全天候稳定可靠收集海洋资料和安全监测的能力，并能完成数据的实时采集整理和发送。
海洋浮标技术开始于四十年代末至五十年代初。20世纪60年代初,美国开始研制多要素观测的海洋资料浮标，其他海洋发展国家如德国、英国、法国、加拿大、挪威、日本、意大利、前苏联等也相继展开了浮标的研制工作。在60年代末70年代初,海洋浮标的研制进程因海洋石油开发为主导的海洋资源开发的兴起得到了加速。到70年代后期,随着发展的计算机技术和卫星通信技术在浮标应用中的出现，导致了浮标技术发展的飞跃，促进了浮标的应用进程。当前美国、日本等海洋发达国家逐步建立了其关键海域的浮标监测网，为海洋工程、海洋运输、海洋资源开发、海洋气象预报、海洋灾害预警、以及各类海洋研究等提供服务，海洋浮标在海洋监测中进入了商品化和实用化阶段。
海洋浮标在开发研制中经过起步阶段(1965～1975)、研究试验阶段(1975～1985)和实用化阶段(1985～1990)的不断发展,90年代开始正式投入使用,到目前为止,已经进入了海洋浮标监测的大国俱乐部。
随着当前人类对海洋研究领域的逐步扩展,尤其对海洋浮标所收集的海洋资料信息需求越来越多,采用先进技术、降低成本、提高可靠度、扩大功能、延长工作寿命、方便布放成为当前世界各国根据浮标技术发展趋势对海洋浮标进行重新设计和制造的主要宗旨。浮标布放将向多站位、高密度方向发展,形成全覆盖、立体化的海洋浮标监测网络，对近海潮位点、风暴潮、生态系统、河口监测、陆架水体运动、气象水文等各方面进行全天候全天时的海洋监测。
通过上述分析，投放到海上的浮标，承载了各个不同海洋科学方向的需求，同时由于维护操作的不方便，造成现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)不能满足不同科学方向的需求，而且现有技术的浮标功能不可配置、扩展和更新不方便。
(2)作为数据通讯浮标，现有技术其数据传输实时有效性差。
(3)现有技术不能适应海上长期布放，能量不能自给。
现有技术不能远程查看浮标的工作参数和状态。现有技术不能通过陆地工作站的指令，可以对浮标进行一些常规的维护；对浮标的传感器进行定期清洁操作不方便。
解决以上问题及缺陷的难度为：如何解决浮标和用户终端的信息连接，如何为现有的海洋浮标构建一个有效的双向的通信系统。解决以上问题及缺陷的意义为：如果有海洋浮标和用户终端的双向通信控制系统存在，能解决浮标的数据信息及时获取问题，更重要的是，能让浮标用户在办公室就能完成远在海上的浮标的一些常规维护工作，比如对海洋浮标所携带的传感器的清洁。像之前的海洋浮标，清洁工作是需要工作人员乘船寻找到浮标并把浮标打捞到船上，然后才能完成清洁工作，这样就导致了海洋浮标的常规维护都费时费力还费钱。双向通信浮标控制系统，使得在办公室的用户随时随地都能监控到浮标的状态并决定是否启动预装在浮标上的清洁或者其他保养手段，大大延长了浮标的使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种应用于海洋浮标的双向通信浮标控制系统及通信方法。
本发明是这样实现的，一种双向通信浮标控制系统，所述双向通信浮标控制系统包括：
上位机，用于连接到物联网透传云，发送控制信号和处理下位机传送的数据信号，存储和实时显示；
面向用户的web程序，是跟用户进行交互的软件。
物联网透传云，用于双向传输上下位机的信息；第三方公司提供的公共资源。
下位机，用于接收到上位机的控制指令，通过控制电路操作传感器；
把上位机传来的指令信息传递给执行机构，并收集浮标各传感器的信息，根据通讯协议组织成数据包传递回上位机。
控制电路，定期收集各传感器的数据，整理和上传到物联网透传云。
进一步，传感器的采集的16进制原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来。
进一步，控制电路还负责接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机。
本发明的另一目的在于提供一种双向通信浮标控制系统的通信方法，包括：
传感器采集的原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来；同时，通过分析当前传感器各状态参数，发送相应的控制命令；
控制电路接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机通讯，接收上位指令，同时发送传感器采集的数据，实现交互。
进一步，下位机控制方法包括：
调试模式下，上位机发送指令，浮标执行相应的操作；
工作模式下，上位机设定传感器采集周期，电机转动时间，工作时间参数，浮标接收到参数数据后循环执行；
当浮标开始工作，控制电路的定时器打开，在每个中断到来时，依次判断计数器值是否为所设定的参数值，若计数值匹配，则进行相应操作。
进一步，上位机控制方法包括：
用户通过上位机连接到透传云，通过透传云连接到海上浮标，发送操作指令到达浮标，完成浮标的状态监测和维护；
浮标将收集的各个传感器数据显示在人机交互系统界面上，同时储存日志实时数据。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
传感器采集的原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来；同时，通过分析当前传感器各状态参数，发送相应的控制命令；
控制电路接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机通讯，接收上位指令，同时发送传感器采集的数据，实现交互。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
传感器采集的原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来；同时，通过分析当前传感器各状态参数，发送相应的控制命令；
控制电路接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机通讯，接收上位指令，同时发送传感器采集的数据，实现交互。
本发明的另一目的在于提供一种全方位立体化监控网络系统，所述全方位立体化监控网络系统和卫星通讯和遥感、水声通讯一起，构成从空间，水面和水下对海洋环境和安全进行全方位立体化监控网络。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明中的浮标通讯控制系统，区别于目前的浮标系统，不再是传统的单向数据采集的方式，而是双向通讯控制系统。既能实现传统的海洋水文数据实时采集和传送，海洋安全监测的功能，同时还能通过岸站，对浮标进行操控，实现浮标的传感器状态实时监测、姿态调整、保养维护甚至进行简单修复。同时，该系统扩展性好，可以方便接入传感器；功耗低，待机功耗每小时0.6瓦，能长期在海上工作；维护方便，可以通过岸站发送控制命令进行维护保养。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的双向通信浮标控制系统示意图。
图1中：1、上位机；2、物联网透传云；3、下位机；4、控制电路；5、传感器。
图2是本发明实施例提供的控制电路硬件示意图。
图2中：6、网络设备；7、电机。
图3是本发明实施例提供的水池调试效果图一。
图4是本发明实施例提供的水池调试效果图二。
图5是本发明实施例提供的下位机—上位机协议原理一。
图6是本发明实施例提供的下位机—上位机协议原理二。
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。
本发明涉及的双向通讯：浮标和岸站控制中心之间的交互通讯。
上位机：在岸站控制中心，人机交互界面，提供数据收集和发送指令功能。
下位机：位于浮标本体，实现信息和硬件的信息交互。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双向通信浮标控制系统、通信方法及浮标，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，双向数据通讯浮标控制系统由上位机1、物联网透传云2、下位机3、控制电路4和传感器5组成。
上位机1连接到物联网透传云2，发送控制信号和处理下位机3传送的数据信号，存储和实时显示。
物联网透传云2作为一个公共的物联网，双向传输上下位机的信息。下位机接收到上位机的控制指令，通过控制电路4，达到操作传感器5的目的。
另外，下位机3通过控制电路4定期收集各传感器5的数据，整理和上传到物联网透传云2。
整个系统的核心单元是下位机3和控制电路4。由于在海上运行，实现需要的功能之外，还要考虑到尽量节能，因为运行周期很长，而太阳能每天能补充的能量有限；还要考虑到可整个系统的可扩展性，就是如何在不做很大改动的情况下，增加更多的传感器的可能性；同时还要考虑到可维护性，因为在海上维修是很困难的，如何做到更快速地维护，也是下位机和控制电路需要考虑和解决的问题。
上位机1是整个系统的人机交互界面，传感器5的采集的16进制原始数据，经上位机整理之后，保存到服务器端并展示出来。同时，工程人员也通过分析当前传感器各状态参数，做出决策并发送相应的控制命令。
在本发明中，控制电路4核心芯片采用了stm32，主要负责接收处理传感器5数据，控制电机7转动以及与岸基通讯等等。
其性能稳定，功耗低，适合复杂环境并能在一定程度上节省整体系统的消耗。传感器和芯片之间的通讯采用485总线传输协议，485总线抗干扰能力强，对于海上复杂环境，能够最大限度的保障数据的稳定收发。控制电路4通过网络设备6和岸基的上位机通讯，接收上位指令，同时发送传感器采集的数据，实现交互。控制电路设计如图2。
下面结合海洋浮标控制系统实现对本发明作进一步描述。
本发明提供的双向通信浮标控制系统的通信方法中包括：
(1)通信协议：
浮标控制系统包括了双向的通讯，本发明定义了从上位机到下位机和从下位机到上位机的通讯协议。
通讯协议主要是解决上位机和下位机的对话问题。上位机对应的是人机交互系统，操作人员希望看到是可以理解的数据和操作指令。
下位机对应的是stm32单片机系统和传感器，它们能理解的是机器代码，俩者如何进行有效的沟通，就需要清晰去定义通讯协议并按照该协议来实现。
图5是本发明实施例提供的下位机—上位机协议原理一。
图6是本发明实施例提供的下位机—上位机协议原理二。
在本发明中，下位机控制实现：
浮标的控制过程主要分为两部分，调试模式和工作模式。调试模式下，上位机发送指令，浮标执行相应的操作。在工作模式下，上位机设定好传感器采集周期，电机转动时间，工作时间等参数，浮标接收到参数数据后循环执行。当浮标开始工作，单片机定时器打开，在每个中断到来时，依次判断计数器值是否为所设定的参数值，若计数值匹配，则进行相应操作。
在本发明中，上位机软件实现：
上位机是人机交互系统，用户通过上位机连接到透传云，通过透传云连接到海上浮标，发送操作指令到达浮标，完成浮标的状态查看和简单维护。海上浮标将收集的各个传感器数据显示在人机交互系统界面上，同时写日志保存实时数据，供用户进行物理海洋等科学方面的分析。
下面结合具体实验对本发明作进一步描述。
实验
完成子系统测试之后，进行了浮标的系统集成和水池调试，在水池调试的过程中发现了一些机械方面的问题，也进行了修改。下面是水池调试照片如图3、图4所示。
在浮标经过了多轮水池调制之后，最后装车送到指定海域进行投放，并连接了水面基站，进行双向通讯的多轮测试：从岸站发送控制信息到浮标进行浮标的监测，和从浮标收集各传感器数据到岸站，均获得成功。
后来又进行了同样10个浮标的制造并投放到不同水域。目前这11个浮标正源源不断地将所采集的数据发送到数据中心，这些数据是该海域非常重要的水文气象和物理海洋资料，将来会提供给相关领域的科学家进行分析，以便科学家们能提出该海域科学有效的海洋生态和环境方面的保护措施。
图5是本发明实施例提供的下位机—上位机协议原理一。
图6是本发明实施例提供的下位机—上位机协议原理二。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双向通信浮标控制系统，其特征在于，所述双向通信浮标控制系统包括：
上位机，用于连接到物联网透传云，发送控制信号和处理下位机传送的数据信号，存储和实时显示；
物联网透传云，用于双向传输上下位机的信息；
下位机，用于接收到上位机的控制指令，通过控制电路操作传感器；
把上位机传来的指令信息传递给执行机构，并收集浮标各传感器的信息，根据通讯协议组织成数据包传递回上位机；
控制电路，定期收集各传感器的数据，整理和上传到物联网透传云。
2.如权利要求1所述的双向通信浮标控制系统，其特征在于，传感器的采集的16进制原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来。
3.如权利要求1所述的双向通信浮标控制系统，其特征在于，控制电路还负责接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机。
4.一种双向通信浮标控制系统的通信方法，其特征在于，所述双向通信浮标控制系统的通信方法包括：
传感器采集的原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来；同时，通过分析当前传感器各状态参数，发送相应的控制命令；
控制电路接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机通讯，接收上位指令，同时发送传感器采集的数据，实现交互。
5.如权利要求4所述双向通信浮标控制系统的通信方法，其特征在于，下位机控制方法包括：
调试模式下，上位机发送指令，浮标执行相应的操作；
工作模式下，上位机设定传感器采集周期，电机转动时间，工作时间参数，浮标接收到参数数据后循环执行；
当浮标开始工作，控制电路的定时器打开，在每个中断到来时，依次判断计数器值是否为所设定的参数值，若计数值匹配，则进行相应操作。
6.如权利要求4所述双向通信浮标控制系统的通信方法，其特征在于，上位机控制方法包括：
用户通过上位机连接到透传云，通过透传云连接到海上浮标，发送操作指令到达浮标，完成浮标的状态监测和维护；
浮标将收集的各个传感器数据显示在人机交互系统界面上，同时储存日志实时数据。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
传感器采集的原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来；同时，通过分析当前传感器各状态参数，发送相应的控制命令；
控制电路接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机通讯，接收上位指令，同时发送传感器采集的数据，实现交互。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
传感器采集的原始数据，经上位机整理后，保存到服务器端并展示出来；同时，通过分析当前传感器各状态参数，发送相应的控制命令；
控制电路接收处理传感器数据，控制电机转动以及通过网络设备和岸基的上位机通讯，接收上位指令，同时发送传感器采集的数据，实现交互。
9.一种全方位立体化监控网络系统，其特征在于，所述全方位立体化监控网络系统和卫星通讯和遥感、水声通讯一起，构成从空间，水面和水下对海洋环境和安全进行全方位立体化监控网络。
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| CN116261115A (zh) * | 2023-03-08 | 2023-06-13 | 杭州瀚陆信息技术有限公司 | 海洋平台的物联网设备调控系统 |
| CN116261115B (zh) * | 2023-03-08 | 2023-12-29 | 宁波瀚陆海洋科技有限公司 | 海洋平台的物联网设备调控系统 |
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