CN114013574A - 智能水文气象观测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海洋观测领域，特别是一种智能水文气象观测系统，包括支架、浮标主体、太阳能电池板、设备箱、观测模块、数据采集控制模块、通信检测模块以及数据传输天线；所述支架固定在所述浮标主体的底部，所述浮标主体的上部固定有电池板支架，所述太阳能电池板分布固定在所述电池板支架的周围，所述设备箱固定在所述浮标主体上，所述电池板支架的顶部安装有观测模块以及数据传输天线。本发明提出的高可靠智能水文气象观测系统，以高分子浮标为载体，配合基于4G的通信检测模块，提高了观测系统的可靠性，保证了数据的实时传输。

Description

智能水文气象观测系统
技术领域
本发明涉及海洋观测领域，特别是一种智能水文气象观测系统。
背景技术
海洋观测是认识海洋的基本手段，也是海洋科学研究的基础。“透明海洋”大科学计划的实施，旨在通过科技创新，加快我国海洋观测体系建设，提高海洋信息获取能力，增强海洋认知和感知能力，实现海洋的“透明化”。目前，在我国部分近海，借助岸站、海上观测平台和区域海底实验观测网等观测平台，初步实现了海洋的“状态透明”。在“透明海洋”大科学计划中，基于GNSS卫星、陆地基站、海上浮标、船载观测设备的多源海洋环境要素观测是一项必不可少的内容。传统的浮标观测系统，对海洋要素的采集种类单一，工作状态不稳定，对所采集的数据采用本地保存的方式，不能保证数据的及时处理，不利于进一步实现“透明海洋”。
发明内容
本发明为了有效的解决上述背景技术中的问题，提出了一种智能水文气象观测系统，包括支架、浮标主体、太阳能电池板、设备箱、观测模块、数据采集控制模块、通信检测模块以及数据传输天线；所述支架固定在所述浮标主体的底部，所述浮标主体的上部固定有电池板支架，所述太阳能电池板分布固定在所述电池板支架的周围，所述设备箱固定在所述浮标主体上，所述电池板支架的顶部安装有观测模块以及数据传输天线。
优选地，所述设备箱内装有电池、数据传输模块以及电气系统。
优选地，所述观测模块包括高精度GNSS组合导航设备、气象仪、摄像头及传感器设备。
优选地，所述数据采集控制模块采用分布式监测管理方式，针对各海洋科学仪器分别设计独立传感器模块，负责传感器数据采集传输与能源供给控制，并通过现场CAN总线接入主从控制模块，实现数据采集和通讯链路检测相关的功能集合。
优选地，所述通信检测模块采用DTU，采用电力终端配置进行配置，采用RS232串口与电脑的串口相连，将设备通上电源，选择正确的串口配置参数后，利用串口进行系统参数配置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的高可靠智能水文气象观测系统，以高分子浮标为载体，配合基于4G的通信检测模块，提高了观测系统的可靠性，保证了数据的实时传输；采用分布式监测管理方式的数据采集模块结合高精度观测模块，可同时采集多种海洋要素数据，提高了数据采集效率；且可按照预设时序各功能模块通电工作，完成后可关闭，提高了观测系统的智能水平。
附图说明
图1是本发明中浮标结构示意图；
图2是本发明中观测系统搭载设备及相互关系图。
具体实施方式
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种智能水文气象观测系统，包括支架1、浮标主体2、太阳能电池板3、设备箱4、观测模块、数据采集控制模块、通信检测模块以及数据传输天线5；所述支架固定在所述浮标主体的底部，所述浮标主体的上部固定有电池板支架6，所述太阳能电池板分布固定在所述电池板支架的周围，所述设备箱固定在所述浮标主体上，所述电池板支架的顶部安装有观测模块以及数据传输天线。所述观测模块包括高精度GNSS组合导航设备7、气象仪8、摄像头及传感器设备。
本发明是基于浮标为载体的，搭载多种模块的高可靠智能水文气象观测系统，由高可靠性浮标结构，高精度观测模块，数据采集控制模块、通信检测模块四个部分组成，具体说明如下：
高可靠性浮标结构采用高分子聚乙烯或钢结构浮体耐腐蚀，不褪色，无磁，防护等级IP67且同时保证内部供电系统及其他模块的防水，适合海流测量，并至少满足连续9个月的免维护，供电系统采用太阳能电池板与锂电池，可实现至少七天的连续观测。
高精度观测模块中GNSS组合导航模块，在卫星定位方面采用全系统多频案方案内置高精度MEMS陀螺仪与加速度计，支持外接里程计信息进行辅助，借助新一代多传感器数据融合技术，大大提高了系统的可靠性、精确性和动态性，实时提供高精度的载体位置、姿态、速度和传感器等信息，结合路基GNSS反射测量实现港口、近海等区域高精度(垂直方向上6cm)的潮位观测，并可实现高精度的潮流流速流向反演(流速0.2m/s，流向5°)。气象仪使用先进的超声波测风技术，不会像机械风速计和气象测量仪器存在机械磨损、无机盐和灰尘的堆积、或是鸟类停留等问题，而导致测量的数据不精确甚至测量失效，风速测量范围0～60m/s，准确度在V≤20m/s时±1m/s、V≥20m/s时±5％V m/s；量程0～360°，准确度±10°。
如图2所示，数据采集控制模块以树莓派嵌入式芯片为核心，提供了一种通用型模块化传感器搭载平台，可以根据不同应用需求设接入传感器。这里为了保证系统持续正常工作，在稳定性与可靠性方面进行大量创新设计，针对各海洋科学仪器分别设计独立传感器模块，负责传感器数据采集传输与能源供给控制，并通过现场CAN总线接入主从控制模块。实现数据采集和通讯链路检测相关的功能集合。通信与电源管理部分主要由各传感器模块组成，负责传感器电源管理与通信协议转换。相比于传统的海洋监测任务大多采用单处理器集中控制方式集成传感器，这里考虑到系统的稳定性、可靠性以及后期的可扩展性，这里采用分布式监测管理方式，针对各海洋传感器设计传感器模块节点。各传感器模块包括电源管理控制板与CAN通信协议转换板两部分组成，是由可以扩展的CAN总线协议转换器和适应于不同传感器供电电压的DC/DC转换器设计实现，可以兼容数字量(RS232、RS422等)、模拟量等常见接口传感器。数据采集控制主要功能是完成数据采集、处理、存储、传输和过程控制，其稳定可靠性能直接关系到整个系统的可靠运行。模块根据一定的时序控制主机及各类传感器的加断电，采集及处理各类传感器的信号，采集的实时数据及时存储于固态存储器中，将处理后的数据通过通信传输模块发送到岸基系统。具体如下：
(1)按预定时序(可设置)对各功能模块和通信设备加电工作，在采集完成后关闭。
(2)正常情况下，按要求每10分钟工作一次，对水文气象要素进行自动采集和处理；恶劣海况下，根据内部设定的门限值可加密观测，恶劣海况结束后可自控恢复正常观测。
(3)自动编制报文，利用通信传输系统把数据发送给岸基系统。
(4)采用大容量的固态数据存储器，用于采集原始数据的保存。
通信检测模块采用DTU，可以采用电力终端配置进行配置，采用RS232串口与电脑的串口相连，将设备通上电源，选择正确的串口配置参数后，可以利用串口进行系统参数配置。负责采集信息的通信传输和浮标上设备的远程监测，保证数据有效传输；远程监测用于浮标设备的调试、故障诊断和远程参数设置。具体如下：
(1)数据通讯采用无线通信网络连接，带宽速率不小于64kb/s。保证数据有效接收率不小于95％。
(2)将数据采集控制模块的信息报文传输回岸基系统的数据接收端进行接收处理。
(3)能对浮标设备进行远程检测和初始化设置，可对各部件进行故障诊断和故障报警。
(4)可远程读取信息采集控制模块的内存数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种智能水文气象观测系统，其特征在于：包括支架、浮标主体、太阳能电池板、设备箱、观测模块、数据采集控制模块、通信检测模块以及数据传输天线；所述支架固定在所述浮标主体的底部，所述浮标主体的上部固定有电池板支架，所述太阳能电池板分布固定在所述电池板支架的周围，所述设备箱固定在所述浮标主体上，所述电池板支架的顶部安装有观测模块以及数据传输天线。
2.根据权利要求1所述的智能水文气象观测系统，其特征在于，所述设备箱内装有电池、数据传输模块以及电气系统。
3.根据权利要求1所述的智能水文气象观测系统，其特征在于，所述观测模块包括高精度GNSS组合导航设备、气象仪、摄像头及传感器设备。
4.根据权利要求1所述的智能水文气象观测系统，其特征在于，所述数据采集控制模块采用分布式监测管理方式，针对各海洋科学仪器分别设计独立传感器模块，负责传感器数据采集传输与能源供给控制，并通过现场CAN总线接入主从控制模块，实现数据采集和通讯链路检测相关的功能集合。
5.根据权利要求1所述的智能水文气象观测系统，其特征在于，所述通信检测模块采用DTU，采用电力终端配置进行配置，采用RS232串口与电脑的串口相连，将设备通上电源，选择正确的串口配置参数后，利用串口进行系统参数配置。
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