CN112423254B - 一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统及方法，该系统包括：若干无人船数据采集终端，利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将采集的数据经微处理器处理后实时自动传送至对应的调查船数控中心，接收来自调查船数控中心的指令以实现采集终端采集数据的控制；调查船数控中心，通过网关模块获取数据采集终端采集的海洋水文水质数据，将采集的数据转发到数据与处理中心进行处理与存储及通过网络向岸基数据中心进行数据同步，并通过观测终端进行相关数据信息的展示，并实现对数据采集终端的控制；岸基数据中心，用于利用网络接收所述调查船数控中心传输的数据，对数据进行集中管理和综合应用。

Description

一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统及方法
技术领域
本发明涉及海洋水质监测技术领域，特别是涉及一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统及方法。
背景技术
海洋是人类生命的摇篮，因其具有丰富的自然资源而成为各国开发研究的重点。研究海洋是为了认识海洋和开发利用海洋，海洋调查是人们认识海洋、探索海洋、利用海洋的基本手段。其中进行海洋生态环境有关的水质调查是进行海洋环境保护规划、监督管理和海洋污染防治的首要前提。在科技高速发展的时代，创新和综合利用高新技术进行科学、低成本、高效的海洋水文水质调查是行业发展的需要，也是时代进步的必然。
根据数据获取方式的不同，目前海洋水质调查方法主要包括遥感观测法和现场调查法。其中，遥感观测法主要通过遥感手段对海面进行探测得到诸如海流、波浪、水温、水色等海洋信息，其优点是可以从整体上准实时、大范围地了解海域环境特点。由于遥感观测的局限性，现代海洋调查依然离不开现场调查，现场调查法是通过采集水样进行实验室分析获得水质参数或利用专门观测设备(如ADCP、CTD等)、便携式仪器(如浊度计)直接对海洋水体进行相关参数测量的调查方式，海洋的水质现场调查往往利用调查船开展水样的采集和相关水文水质参数的直接测量，其中直接测量可减少外业和内业处理工作量，大大提高调查效率，因而颇受调查人员的青睐。
现有技术的存在如下缺陷和不足：1)遥感观测法，其时空分辨率较低、观测精度往往不高，且观测易受天气影响，不宜应用于小范围和环境状况变化较快的海域调查和研究；2)现场调查法，虽然可以直接测量，但后期还需要经过人工方式进行数据转移处理，部分设备显示的观测数据需要作业人员再次记录，部分设备存储的观测数据在后期需要转存；3)现场调查法的观测数据呈现单点化、碎片化特征，难以对其进行及时分析，以便从整体上或区域上把握了解其反映的环境状况，不便于调查人员在进行外业调查时根据数据反映出的特殊水质环境进行调查方案的调整；4)现场调查法的数据难于共享，不便用于多艘船协同作业。
而实际的基于船基的海洋水质调查应用场景，调查人员希望可以减少调查船的移动作业时间，快速、及时、便捷地获取调查船附近海域的水文水质状况，在此基础上，还可以根据实时观测的数据来对观测过程进行反馈调节，实现一种双向交互传输的工作流程，因此基于船基的海洋调查需要采用更加高实时、可共享、可交互的工作方式。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统及方法，通过综合利用传感器技术、物联网技术、无人船技术和网络信息技术等，将数据采集、数据处理、数据分析、实时展示和数据采集控制等多功能于一体，建立统一的海洋信息管理系统和发布平台，提高了海洋水质监测系统的自动化能力和实时监控能力。
为达上述目的，本发明提出一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，包括：
若干无人船数据采集终端，用于利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将采集的数据实时传送至对应的调查船数控中心，同时接收来自调查船数控中心的指令以实现无人船数据采集终端采集数据的控制；
调查船数控中心，用于通过网关模块获取所述无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，采集的数据将转发到数据与处理中心进行处理与存储及通过网络向岸基数据中心进行数据的同步，并在观测终端进行相关信息的展示，整体完成采集数据的传输、接收、处理、存储以及展示的功能，并实现对所述无人船数据采集终端的控制；
岸基数据中心，用于网络接收所述调查船数控中心传输的数据，对数据进行集中管理和综合应用。
优选地，所述无人船数据采集终端进一步包括：
传感器模块，用于利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将其传送至第一微处理器模块；
第一微处理器模块，用于实时获取所述传感器模块各传感器采集的数据，并将其通过第一通信模块传送至所述调查船数控中心，同时通过第一通信模块接收来自所述调查船数控中心的指令以控制所述传感器模块的各传感器读取数据的过程；
第一通信模块，用于负责所述无人船数据采集终端与调查船数控中心之间的数据通信。
优选地，所述传感器模块包括但不限于温度传感器、气压传感器、浊度传感器以及GPS传感器，以采集包括但不限于温度、气压、浊度、GPS位置等水文水质采集指标。
优选地，所述调查船数控中心进一步包括：
网关模块，通过通信模块和通信协议负责数据的双向实时接收和转发；
数据与处理中心，用于从所述网关模块获取所述无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，并对数据进行处理、分析和存储，并通过路由器传送至观测终端予以展示，以及通过网络向所述岸基数据中心进行数据的同步；
观测终端，用于接收所述数据与处理中心处理后的相关数据信息，予以实时展示和对历史数据进行查询与统计，并在无人船数据采集终端的状态数据和观测数据出现异常时进行预警提醒，以及向无人船数据采集终端发出指令以控制数据的采集和传输。
优选地，在多船协作模式下，除具备单船调查模式独立的智慧观测功能的工作体系流程外，各调查船数控中心还通过所述网关模块结点以轮询的方式相互发送接收的观测数据，进行调查船之间调查数据的共享，避免多艘调查船作业区的重复。
优选地，无人船数据采集终端装置硬件(包括微处理器模块、通信模块和传感器模块)，其微控制处理器模块采用STM32F103C8T6型号微处理器，其通信模块采用基于SX1278射频芯片的LoRa数传模块，其温度和气压传感器模块采用BMP180集成传感器，其浊度传感器采用Turbidity sensor型号传感器，GPS传感器模块采用支持GPS和GLONASS双模的Beitian GPS模块。
优选地，网关模块硬件(包括微处理器模块和通信模块)，其微处理器模块采用ESP-WROOM-32型号微处理器，其通信模块采用基于SX1278射频芯片的LoRa数传模块。
优选地，所述系统的嵌入式软件包括无人船数据采集终端软件和网关模块软件，用于负责数据的采集、传输和控制，实现双向传输数据和自动控制，让用户可以根据实时观测结果和实际需求(如暂停和启动、设置传输时间间隔等)进行采集端水文水质采集参数的配置和控制，形成一种无人船-调查船之间反馈机制，完善水文水质观测过程管理。
优选地，所述系统的上位机软件体系架构分为：
数据层，即观测数据库，用于存储各种水文水质观测数据、对应的日志记录和传感器设备的状态数据；
服务层，包括数据处理服务、数据库服务和数据控制服务，所述数据处理服务负责实时接收来自所述网关模块传输来的所述无人船数据采集终端采集的观测数据，生成监测数据表、判断数据状态生成日志记录表，然后通过交互接口程序存入观测数据库中；所述数据库服务则基于数据库中的监测数据表和日志记录表，提供数据给所述观测终端调用；数据控制服务负责接收远程控制指令，通过所述网关模块传输到所述无人船数据采集终端，以控制所述无人船数据采集终端的数据采集过程；
表示层，用于数据的监测与展示、采集终端位置可视化、数据采集控制和数据同步。
优选地，所述服务层逻辑通过NodeJS创建的服务实现。
优选地，所述数据处理服务实时接收来自所述网关模块传输来的观测数据后，NodeJS创建的服务根据键值获取传感器的监测数据生成监测数据表、判断数据状态生成日志记录表，然后通过交互接口程序存入观测数据库中；所述数据库服务基于数据库中的监测数据表和日志记录表，使用NodeJS创建的后端服务将数据的读、写等操作简化为接口服务，提供给所述观测终端调用。
优选地，所述岸基数据中心通过移动通讯网络或卫星通讯网络接收所述调查船数控中心传输的数据，对数据进行集中管理和综合应用。
为达到上述目的，本发明还提供一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集方法，包括如下步骤：
步骤S1，各无人船数据采集终端利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将采集的数据经微处理器处理后实时自动传送至其对应的调查船数控中心，同时各无人船数据采集终端还接收来自调查船数控中心的指令以实现无人船数据采集终端采集数据的控制；
步骤S2，调查船数控中心通过网关模块获取无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，采集的数据将转发到数据与处理中心进行处理与存储及通过网络向岸基数据中心进行数据的同步，并在观测终端进行相关信息的展示，整体完成采集数据的传输、接收、处理、存储以及展示的功能，并实现对无人船数据采集终端的控制，同时在其多船协作模式下，各调查船数控中心还通过所述网关模块结点以轮询的方式相互发送接收的观测数据，进行调查船之间调查数据的共享，避免多艘调查船作业区的重复；
步骤S3，所述调查船数控中心通过网络向岸基数据中心进行数据的同步，岸基数据中心对数据进行集中管理和综合应用。
与现有技术相比，本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统及方法，通过利用无人船运输工具、传感器技术、无线通信技术和网络信息技术实现了一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，实现了单船调查模式和多艘调查船进行联合作业的多船协作模式，将数据采集、数据处理、数据分析、实时展示和数据采集控制等多功能集于一体，建立统一的海洋信息管理系统和发布平台，提高了海洋水质监测系统的自动化能力和实时监控能力。
附图说明
图1为本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统的系统架构图；
图2为本发明具体实施例中嵌入式软件的流程图；
图3为本发明具体实施例中上位机软件的体系结构图；
图4为本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集方法的步骤流程图；
图5为本发明一实施例中适用于单艘调查船独立完成特定海域的水文水质调查作业的采集系统架构图；
图6为本发明另一实施例中适用于多艘调查船进行联合作业的多船协作模式的采集系统架构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统的系统架构图。如图1所示，本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，包括：
若干无人船数据采集终端10，用于利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将采集的数据经微处理器处理后实时自动传送至调查船数控中心20，同时接收来自调查船数控中心的指令以实现无人船数据采集终端采集数据的控制。
具体地，无人船数据采集终端10进一步包括：
传感器模块101，用于利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将其传送至微处理器模块。在本发明中，传感器模块101包括但不限于温度传感器、气压传感器、浊度传感器以及GPS传感器，以采集包括但不限于温度、气压、浊度、GPS位置等几个常用的水文水质采集指标。在本发明具体实施例中，温度和气压传感器选用BMP180集成传感器，其具有精度高、体积小、功耗低、反应快(反应时间为7.5ms)的优点；浊度传感器选用Turbidity传感器，该传感器使用仪器分析法观测水体浊度，其工作原理是利用光的透过率和散射率来检测悬浮颗粒物变化，相比较其他常见浊度检测方法(如分光光度法)，具有灵敏度高和检测准确的优点；GPS传感器选择支持GPS和GLONASS双模的Beitian GPS模块，该模块具备搜星快、定位精度高、体积小、安装方便等特征。
第一微处理器模块102，用于实时获取并处理传感器模块101各传感器采集的数据，并将其通过通信模块传送至调查船数控中心20，同时通过通信模块接收来自调查船数控中心的指令以控制传感器模块101的各传感器读取数据的过程，以便让用户可以根据实时观测结果和实际需求(如暂停和启动、设置传输时间间隔等)进行无人船数据采集终端水文水质采集参数的配置和控制，形成一种无人船-调查船之间反馈机制，完善水文水质观测过程管理。第一微处理模块102是整个系统的核心组成部分，在本发明具体实施例中，第一微处理模块102可选用STM32F103C8T6型号微处理器模块，其具有低功耗、高性能、高实时、体积小、接口丰富、支持多种外设和功能等特性。微处理器模块要外接传感器模块和通信模块，具体的接线方式示意表如下(Pin是外接模块接口，Link是微处理器接口，Fun是功能)：
表1 LoRa模块接口和功能表
Pin Fun Link
PA4 ENABLE SS
PA5 SPI_SCK SCK
PA6 SPI_MISO MISO
PA7 SPI_MOSI MOSI
PA0 SOFT_RESET RESET
PA1 EVENT DO0
表2 GPS模块接口和功能表
Pin Fun Link
PA3 Rx Tx
PA2 Tx Rx
表3 BMP模块接口和功能表
Pin Fun Link
PB7 SDA SDA
PB6 SCL SCL
表4 TDS模块接口和功能表
Pin Fun Link
PB0 Digital 5
第一通信模块103，用于负责无人船数据采集终端10与调查船数控中心20之间的双向数据通信。在本发明具体实施例中，无人船数据采集终端10中的通信模块选用了基于SX1278射频芯片的LoRa数传模块，由于LoRa数传模块具有传输距离远(5-20km)、功耗低、多节点、低成本，频段免费、可搭建私有网络等特性，可以很好地满足在海域中通信传输的需求。
调查船数控中心20，用于通过网关模块获取无人船数据采集终端10采集的海洋水文水质数据，采集的数据将转发到数据与处理中心202进行处理与存储及通过网络向岸基数据中心30进行数据的同步，并在观测终端进行相关信息的展示，整体完成采集数据的传输、接收、处理、存储以及展示的功能，并实现对无人船数据采集终端10的控制。
具体地，调查船数控中心20进一步包括：
网关模块201，用于负责数据的实时接收和转发。
网关模块201是无人船数据采集终端10采集的观测数据上传至观测终端的中转节点，负责数据的双向实时接收和转发。在本发明具体实施例中，网关模块201由第二微处理器模块、第二通信模块组成，其中第二微处理器模块的微处理器选择ESP-WROOM-32型号，其集成了功率放大器、低噪放大器、2.4GHz Wi-Fi模块和电源管理模块，核心芯片是ESP32-D0WDQ6，芯片内置两个低功耗
Figure GDA0003996745490000111
32-bit LX6的CPU，CPU时钟频率的调节范围为80～240MHz，ESP32还集成了丰富的外设，第二通信模块与无人船数据采集终端10的第一通信模块一样，即选用LoRa数传模块，第二通信模块使用MQTT通信协议，协议使用发布/订阅模式，具有简单、轻量和易于实现的特点，非常适合嵌入式设备间通信。
在本发明具体实施例中，无人船数据采集终端10的第一微处理器模块与网关模块201的第二微处理器模块运行嵌入式软件，如图2所示，当第一微处理器模块102的STM32微处理器上电初始化后，声明传感器模块和数据串口，然后开启LoRa数传模块，与网关模块201的ESP32微处理器进行连接，连接后检测各串口传感器数据，循环重复读取并发送到网关模块201的ESP32微处理器，同时通过LoRa数传模块接收来自网关的指令以控制传感器读取数据的过程；网关模块201的ESP32微处理器在上电初始化后，声明网络和MQTT通信协议服务配置信息，Lora和MQTT连接成功之后，ESP32网关循环地将接收的数据传输到MQTT服务器端(即数据与处理中心)，同时当MQTT服务端发送指令时，网关模块接收指令后转发到STM32微处理器串口上，若中途掉电或网络异常，会自动重新尝试创建连接。在本发明嵌入式软件的设计考虑了双向传输数据和自动控制，让用户可以根据实时观测结果和实际需求(如暂停和启动、设置传输时间间隔等)进行采集端水文水质采集参数的配置和控制，形成一种无人船-调查船之间反馈机制，完善水文水质观测过程管理。
优选地，在多船协作模式下，各调查船数控中心20还通过网关模块201结点以轮询的方式相互发送接收的观测数据，进行调查船之间调查数据的共享。
数据与处理中心202，用于从网关模块201获取无人船数据采集终端10采集的海洋水文水质数据，并对数据进行处理、分析和存储，以及对无人船数据采集终端10通过网关模块201实现远程控制，并通过网络向所述岸基数据中心进行数据的同步。
观测终端203，用于接收数据与处理中心202处理后的相关数据信息通过服务器PC或移动端设备(如手机和PAD)予以实时展示和对历史数据进行查询与统计，并在无人船数据采集终端10的状态数据和观测数据出现异常时进行预警提醒，以及向无人船数据采集终端10发出指令以控制数据的采集和传输。
除运行于微处理器上的嵌入式软件外，还有运行于服务器上的上位机软件，上位机软件负责对所采集的海洋水文水质数据进行实时存储和展示，在本发明具体实施例中，上位机软件体系架构可以分为数据层、服务层和表示层，如图3所示。
数据层，即对应观测数据库部分，在本发明具体实施例中，数据库选择具有开源、灵活性高、成本低等特性的MySQL关系型数据库，观测数据库主要存储各种水文水质观测数据、对应的日志记录和传感器设备的状态数据，也就是说，数据与处理中心202从网关模块201获取到无人船数据采集终端10采集的观测数据，对其进行分析处理后，会将水文水质观测数据、对应的日志记录和传感器设备的状态数据存储于观测数据库中。
服务层主要包括数据处理服务、数据库服务和数据控制服务三部分。在本发明具体实施例中，服务层逻辑主要通过NodeJS创建的服务实现，NodeJS是基于JavaScript实现的Web应用服务，JavaScript本身就具有轻量、即时编译和跨平台的特点，NodeJS在此基础上采用事件驱动和非阻塞I/O，具有轻量、可伸缩，高并发的特点，适用于I/O密集和高实时数据交互的应用。服务层中数据处理服务负责实时接收来自网关模块201传输来的无人船数据采集终端10采集的观测数据，NodeJS创建的服务根据键值获取传感器的监测数据生成监测数据表、判断数据状态生成日志记录表，然后通过交互接口程序存入观测数据库中；数据库服务则是基于数据库中的监测数据表和日志记录表，使用NodeJS创建的后端服务将数据的读、写等操作简化为接口服务，提供给PC端和移动端调用；数据控制服务负责接收PC端的远程控制指令，通过网关模块201传输到无人船数据采集终端10，以控制无人船数据采集终端10的数据采集过程。
表示层，主要用于数据的监测与展示、采集终端位置可视化、数据采集控制和数据同步等功能，在本发明具体实施例中，使用PC端和移动端来承载这些功能的实现，具体包括管理门户和展示门户的功能。具体地，展示门户具有以下功能：(1)实测数据界面以图表形式动态实时展示观测点的数据，根据日志信息展示传感器的数据状态(如果出现异常就进行报警提示)；(2)数据节点界面以地图形式展示观测节点的位置情况和监测数据情况；(3)数据下载界面支持将相关数据导出为Excel表格；(4)通过移动通讯网络或卫星通讯网络向岸基数据中心归档调查数据，进行数据的同步。管理门户具有以下功能：(1)接收管理员的指令，以通过指令控制观测节点，发送不同设置命令以暂停、重新启动数据采集、以及控制数据采集传输的时间间隔；(2)接收管理员对系统注册用户账号信息的维护管理。移动端的展示门户还可以通过地图实时查看观测数据变化。实现时，移动端则和PC端使用同一套系统，使用媒体查询方式自动适用移动端和PC端，可以快速构建移动端应用。
岸基数据中心30，用于通过移动通讯网络或卫星通讯网络接收调查船数控中心20传输的数据，对数据进行集中管理和综合应用。
图4为本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集方法，包括如下步骤：
步骤S1，各无人船数据采集终端利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将采集的数据经微处理器处理后实时自动传送至其对应的调查船数控中心，同时各无人船数据采集终端还接收来自调查船数控中心的指令以实现无人船数据采集终端采集数据的控制。
在本发明具体实施例中，各无人船数据采集终端上设有温度传感器、气压传感器、浊度传感器以及GPS传感器，以采集温度、气压、浊度、GPS位置等几个常用的水文水质采集指标，各传感器采集相应的水文水质数据后将其传送至第一微处理器模块，并通过第一通信模块传送至调查船数控中心，第一微处理器模块通过第一通信模块接收来自调查船数控中心的指令以控制各传感器读取数据的过程，以便让用户可以根据实时观测结果和实际需求(如暂停和启动、设置传输时间间隔等)进行无人船数据采集终端水文水质采集参数的配置和控制，形成一种无人船-调查船之间反馈机制，完善水文水质观测过程管理。
步骤S2，调查船数控中心通过网关模块获取无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，采集的数据将转发到数据与处理中心进行处理与存储及通过网络向岸基数据中心进行数据的同步，并在观测终端进行相关信息的展示，整体完成采集数据的传输、接收、处理、存储以及展示的功能，并实现对无人船数据采集终端的控制，同时在其多船协作模式下，各调查船数控中心还通过所述网关模块结点以轮询的方式相互发送接收的观测数据进行调查船之间调查数据的共享，避免多艘调查船作业区的重复。
在本发明具体实施例中，所述调查船数控中心设有网关模块、数据与处理中心、WIFI路由器以及观测终端，调查船数控中心通过网关模块获取无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，并对观测数据进行处理、分析，以及对无人船数据采集终端通过网关模块实现远程控制，并通过WIFI路由器将分析处理结果数据传送至观测终端予以展示。
步骤S3，所述调查船数控中心通过移动通讯网络或卫星通讯网络向岸基数据中心进行数据的同步，岸基数据中心对数据进行集中管理和综合应用。
实施例
在本发明一实施例中，如图5所示，所述采集系统适用于单艘调查船独立完成特定海域的水文水质调查作业的情形。所述采集系统包括无人船数据采集终端、船基数控中心(调查船部分)和岸基数据中心(岸基部分)。
其中无人船数据采集终端是集成了传感器、微处理器和通信模块的数据采集单元，主要负责海洋水文水质数据的采集、处理和发送；调查船部分包括网关、数据与处理中心、路由器和观测终端，主要完成观测数据的传输、接收、处理、存储、展示和无人船控制；岸基部分是海洋调查与监测数据管理中心，负责接收调查船传输的数据以及数据的集中管理和综合应用。
在实际进行海域调查时，由于调查范围比较大，可能需要进行多艘调查船进行联合作业，因此在调查过程中有必要共享调查数据以便及时调整变更调查计划和避免作业区重复。针对该情况，本发明另一实施例中，设计了多船协作模式下的海洋水文水质数据采集方案。多船协作模式除具备单船调查模式执行独立的数据采集功能外，增加了调查船之间通过网关模块结点以轮询的方式相互发送接收的观测数据的共享功能。
在本发明实施例中，为测试整个系统的效果，对系统进行了实地测试，测试时间为2019年11月3号，测试地点为浦东新区东海大桥附近海域。
测试过程中监测中心生成了从2019年11月3日09时30分到2019年11月3日12时的水质观测数据日志记录，该日志记录的数据传输状态信息表明数据采集正常、数据传输稳定。同时，PC端的管理系统发送指令可以控制远程监测节点暂停(通过发送数字0)、启动(通过发送数字1)和传输时间间隔(通过发送其它整数)，管理系统还可以对用户信息进行修改和删除等操作。PC端的展示系统可以实时动态展示观测到的数据，数据异常时还会弹窗警告，还支持以地图形式更立体地展示测试节点的位置情况和监测数据情况，如图6所示，还可以选择水质因子数据进行导出Excel表格。移动端则和PC端使用同一套系统，使用媒体查询方式自动适用移动端和PC端，可以快速构建移动端应用。
测试结果表明：本发明能够减少调查船的移动作业时间及区域，快速、及时、便捷地获取调查船附近海域的水文水质状况，本发明能够有效地实现监测数据的实时采集、处理、存储、显示和控制，本发明适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统具有可行性，本发明基于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统具有的通信传输距离远、抗干扰能力强、系统部署灵活等特点，同时低廉的系统构建成本和便捷的水质监测方法可较好地满足科研人员、渔业和养殖业从业者的应用需求。
综上所述，本发明一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统及方法通过利用无人船运输工具、传感器技术、无线通信技术实现了一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，实现了双向交互传输的工作流程以及单船调查模式和多艘调查船进行联合作业的多船协作模式，将数据采集、数据处理、数据分析、实时展示和数据采集控制等多功能于一体，建立统一的海洋信息管理系统和发布平台，采用了更加高实时、可共享、可交互的工作方式，提高了海洋水质监测系统的自动化能力和实时监控能力。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (12)

1.一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，包括：
若干无人船数据采集终端，用于利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将采集的数据经微处理器处理后实时自动传送至对应的调查船数控中心，同时接收来自调查船数控中心的指令以实现无人船数据采集终端采集数据的控制；
调查船数控中心，用于通过网关模块的双向传输获取所述无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，采集的数据将转发到数据与处理中心进行处理与存储及通过网络向岸基数据中心进行数据的同步，并在观测终端进行相关信息的展示，整体完成采集数据的传输、接收、处理、存储以及展示的功能，并同时实现对所述无人船数据采集终端的控制；
岸基数据中心，用于通过网络接收所述调查船数控中心传输的数据，对数据进行集中管理和综合应用；
在多船协作模式下，除具备单船调查模式独立的智慧观测功能的工作体系流程外，各调查船数控中心还通过所述网关模块结点以轮询的方式相互发送接收的观测数据，进行调查船之间调查数据的共享。
2.如权利要求1所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于，所述无人船数据采集终端进一步包括：
传感器模块，用于利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将其传送至第一微处理器模块；
第一微处理器模块，用于实时获取所述传感器模块各传感器采集的数据，并将其通过第一通信模块传送至所述调查船数控中心，同时通过第一通信模块接收来自所述调查船数控中心的指令以控制所述传感器模块的各传感器读取数据的过程；
第一通信模块，用于负责所述无人船数据采集终端与调查船数控中心之间的双向数据通信。
3.如权利要求2所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于：所述传感器模块包括温度传感器、气压传感器、浊度传感器以及GPS传感器，以采集包括温度、气压、浊度、GPS位置的水文水质采集指标。
4.如权利要求1所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于，所述调查船数控中心进一步包括：
网关模块，通过通信模块和通讯协议负责数据的双向实时接收和转发；
数据与处理中心，用于从所述网关模块获取所述无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，并对数据进行处理、分析和存储，并通过路由器传送至观测终端予以展示，以及通过网络向所述岸基数据中心进行数据的同步；
观测终端，用于接收所述数据与处理中心处理后的相关数据信息，予以实时展示和对历史数据进行查询与统计，并在无人船数据采集终端的状态数据和观测数据出现异常时进行预警提醒，以及向无人船数据采集终端发出指令以控制数据的采集和传输。
5.如权利要求3所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于，所述系统采用的硬件包括：
所述无人船数据采集终端装置的第一微处理器模块采用STM32F103C8T6型号微处理器，其第一通信模块采用基于SX1278射频芯片的LoRa数传模块，其温度和气压传感器模块采用BMP180集成传感器，其浊度传感器采用Turbidity sensor型号传感器，GPS传感器采用支持GPS和GLONASS双模的Beitian GPS模块；
所述网关模块包括第二微处理器模块和第二通信模块，其第二微处理器模块采用ESP-WROOM-32型号微处理器，其第二通信模块采用基于SX1278射频芯片的LoRa数传模块。
6.如权利要求1所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于，所述系统采用的软件包括：
嵌入式软件，用于运行于微处理器上，负责实时采集和传输水文水质观测数据；
上位机软件，用于运行于服务器上，负责对所采集的水文水质观测数据进行实时存储和展示。
7.如权利要求6所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于，所述嵌入式软件进一步包括：
无人船数据采集终端软件和网关模块软件，用于负责数据的采集、传输和控制，实现双向传输数据和自动控制，以便用户根据实时观测结果和实际需求进行采集端水文水质采集参数的配置和控制，形成一种无人船-调查船之间反馈机制，完善水文水质观测过程管理。
8.如权利要求6所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于，所述上位机软件体系架构进一步包括：
数据层，即观测数据库，用于存储各种水文水质观测数据、对应的日志记录和传感器设备的状态数据；
服务层，包括数据处理服务、数据库服务和数据控制服务，所述数据处理服务负责实时接收来自所述网关模块传输来的所述无人船数据采集终端采集的观测数据，生成监测数据表、判断数据状态生成日志记录表，然后通过交互接口程序存入观测数据库中；所述数据库服务则基于数据库中的监测数据表和日志记录表，提供数据给所述观测终端调用；数据控制服务负责接收远程控制指令，通过所述网关模块传输到所述无人船数据采集终端，以控制所述无人船数据采集终端的数据采集过程；
表示层，用于数据的监测与展示、采集终端位置可视化、数据采集控制和数据同步。
9.如权利要求8所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于：所述服务层逻辑通过NodeJS创建的服务实现。
10.如权利要求9所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于：所述数据处理服务实时接收来自所述网关模块传输来的观测数据后，NodeJS创建的服务根据键值获取传感器的监测数据生成监测数据表、判断数据状态生成日志记录表，然后通过交互接口程序存入观测数据库中；所述数据库服务基于数据库中的监测数据表和日志记录表，使用NodeJS创建的后端服务将数据的读、写操作简化为接口服务，提供给所述观测终端调用。
11.如权利要求1所述的一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集系统，其特征在于：所述岸基数据中心通过移动通讯网络或卫星通讯网络接收所述调查船数控中心传输的数据，对数据进行集中管理和综合应用。
12.一种适用于调查船作业的在线海洋水质数据采集方法，包括如下步骤：
步骤S1，各无人船数据采集终端利用各传感器采集海洋水文水质数据，并将采集的数据经微处理器处理后实时自动传送至其对应的调查船数控中心，同时各无人船数据采集终端还接收来自调查船数控中心的指令以实现无人船数据采集终端采集数据的控制；
步骤S2，调查船数控中心通过网关模块获取无人船数据采集终端采集的海洋水文水质数据，采集的数据将转发到数据与处理中心进行处理与存储及通过网络向岸基数据中心进行数据的同步，并在观测终端进行相关信息的展示，整体完成采集数据的传输、接收、处理、存储以及展示的功能，并实现对无人船数据采集终端的控制，同时在其多船协作模式下，各调查船数控中心还通过所述网关模块结点以轮询的方式相互发送接收的观测数据，进行调查船之间调查数据的共享，避免多艘调查船作业区的重复；
步骤S3，所述调查船数控中心通过网络向岸基数据中心进行数据的同步，岸基数据中心对数据进行集中管理和综合应用。
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