CN115056918A - 基于微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法与系统 - Google Patents

基于微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法与系统 Download PDF

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Abstract

微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法，由10个以上的微型浮标其中1个微型浮标功能定位为中心指令浮标，与集群内其余微型探测浮标进行无线组网通信联系，实现海洋环境信息快速集群组网探测；微型浮标具有深度控制装置，内置网络通信模块、卫星通信模块、GIS地理信息模块和海水温度、压力传感器；微型浮标集群间通信组网根据各微型浮标位置、负载以及数据包的优先级等信息，以优化网络性能为目标，获得中心浮标的最优位置；为了实现中心浮标对各微型浮标的全连通覆盖，降低传输时延，选取传输时延作为网络性能指标，将中心浮标的移动策略问题转化为最小化各微型浮标数据传输的传输时延。

Description

基于微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法与 系统
技术领域：
本发明涉及一种通过微型浮标集群组网应用，实现浅海水域水文环境要素准实时获取的探测系统。该方法与系统具有部署投放便捷、成本功耗较低、组网通信智能和传输响应迅速的特点，可搭载不同传感器实现浅海水域温度、深度、流速多要素环境信息的准实时回传获取，配套软件具备微浮标集群探测系统指令控制、数据处理和状态信息集成显示功能。
背景技术：
当前，世界各国在海洋浮标的研究和应用上日趋完善，并搭建了以Argo浮标为典型应用的较成熟的监测网络，截止2020年全球投放数量超过1.6万个。但传统Argo浮标阵列主要应用于大中尺度、中长远时期和相对稳定状态下的环境数据调查与特征研究，周期长、成本高、技术复杂等因素弱化了其在特定时期、对特定区域实施快速、机动和精细调查能力，开展适用于浅水区、潮间带等区域能够快速布放、密集组网和响应迅速的探测前端系统具有明确需求。国内外在小型化浮标外形结构与材料，浮潜工作模式，内部系统集成化设计，能源系统，遂行任务传感器，通信方式等方面已有较成熟的技术积累，但尚未形成体系配套的软硬件产品。
海场环境保障也要发展一种能够密集布放、响应迅速、高效实用的海洋环境多要素获取手段，但传统的海洋环境观探测手段主要应用于大中尺度、中长远时期和相对稳定状态下的环境数据调查与特征研究，周期长、成本高、技术复杂等因素弱化了其在特定时期、对特定区域实施快速、机动和精细调查能力。
发明内容
本发明目的是，提出一种基于微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法与系统，本发明探测方法及系统(设备)针对浅水近海(水深20m以内)水域环境信息探测中，特定时期、对特定区域实施快速、机动和精细调查方法与系统。本发明提供也可以在浮标投放期间获得长周期、成本低、简明的系统。
本发明的技术方案：微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法，由6个以上的集群微型浮标(如10个，数量可根据任务需要确定，考虑目前通信组网的上限100)布置(漂流)在海洋，其中1个微型浮标作为中心指令浮标标(或兼探测浮)，与集群内所有微型浮标无线组网通信联系，其余为探测浮标；微型浮标具有深度控制装置，微型浮标内置有网络通信模块(可再包括卫星通信模块)、GIS地理信息模块(GPS或与北斗定位模块等)和海洋探测温度、压力、密度、流速传感器；
通信组网与集群管控方法，微型浮标集群间通信组网根据各微型浮标位置、负载以及数据包的优先级等信息，以优化网络性能为目标，获得中心浮标的最优位置；为了实现中心浮标对各微型浮标的全连通覆盖，降低传输时延，选取传输时延作为网络性能指标，将中心浮标的移动策略问题转化为最小化各微型浮标数据传输的传输时延，即：
Figure BDA0003722122840000021
Δi∝ωi(li,pi)·||s-si||
公式中，B＝{1,2,…,N}表示微型浮标集合，N为集群内微型浮标总数；Δi表示中心浮标和微型浮标i之间的数据包传输时延；s、si分别表示中心浮标、微型浮标i的位置；||s-si||表示中心浮标和微型浮标i的欧氏距离；ωi(li,pi)表示微型浮标i的数据包的权重，它由微型浮标i的节点负载li和数据包的优先级pi决定。节点负载l通过统计节点的数据包数量获得。数据包的优先级p是根据消息的重要性和紧迫性依据专家经验确定。数据包类型共有位置数据、测量数据和控制数据三种类型，每种数据类型对应一个数据类型索引DCI，DCI取值越大，表示消息越重要，优先级越高。位置数据、测量数据和控制数据三种类型三类数据的DCI取值分别为1，2，3。
微型智能浮标采用领航者-跟随者方法构建集群控制系统，领航者跟踪预定义的参考轨迹，跟随者根据预定义的方案跟踪领航者的状态；中心浮标设为领航者，设定中心浮标的坐标为预定义的参考轨迹；微型智能浮标设为跟随者，当微型智能浮标漂浮在水面时，按照预定义的参考轨迹，微型智能浮标与中心浮标进行通信，完成整个集群组网；与此同时，上位机通过通信系统(移动通信或卫星通信)远程连接到中心浮标，再由集群组网通信系统将指令下发到微型智能浮标，形成集群控制系统。
软件系统由地图模块、通信控制模块和数据显示模块组成，其中地图模块海图的显示，在界面上地图部分会显示中心浮标当前的位置，且当有浮标浮出水面时，界面上也能显示浮标的实时位置，并以列表的形式显示上述信息，通过滚动条观看剩余其余信息；通信控制模块是基于LoRa通信方式，给微型浮标集群下发各种控制指令，控制微型浮标的各种动作，包括自主浮潜控制、定深控制、探测数据回传以及自身位置信息回传等数据；显示模块是在止位的人机交互系统的界面显示微型浮标的数据信息，显示微型浮标回传的数据，包括温度、深度以及运动姿态，通过界面实时掌握微型浮标的基础信息和剖面信息。
通过使用LoRa通信协议控制微型浮标的自主运动以及探测要素信息的收集，在此基础上通过LoRa通信协议将探测要素信息、位置信息等数据进行回传，并进行处理，将处理后的结果显示：
(1)微型浮标下潜控制
1)单个微型浮标下潜控制
“单个微型浮标下潜”，选择微型浮标的ID号，并填写自主下潜指令的相关参数，包括下潜深度、下潜时间和延迟，然后点击“所选微型浮标下潜”按钮即可完成单个微型浮标的下潜控制。
2)微型浮标集群下潜控制
“一个集群下潜控制”通过广播实现，选择输入微型浮标下潜总数为N个，并填写自主下潜指令的相关参数，包括下潜深度、下潜时间和延迟；
(2)微型浮标上传位置信息控制
当微型浮标未处于自主浮潜运动，即不处于水中时，通过LoRa通信协议下发控制指令，要求微型浮标上传其位置信息，该功能包括单个微型浮标位置信息上传控制和一个中心浮标集群位置信息上传控制；
1)单个微型浮标上传位置信息控制，控制端发出如下指令，填写要求上传位置信息的微型浮标的总数，并勾选要求上传位置信息的微型浮标的ID号；
2)一个微型浮标集群上传位置信息控制
“一个集群上传位置信息控制”通过广播实现，选择输入微型浮标上浮总数为N个；
(3)微型浮标上传剖面数据控制
当微型浮标完成自主浮潜或定深运动回到水面上时，需要将其获取的剖面数据进行回传；微型浮标不能自主回传剖面数据信息，只有当系统通过LoRa通信协议下发上传剖面数据控制指令，要求微型浮标上传其剖面数据时微型浮标才将其探测获取的剖面数据进行上传；包括单个微型浮标剖面数据上传控制及一个集群剖面数据上传控制；
1)单个微型浮标上传剖面数据控制
“单个微型浮标上传剖面数据控制”，控制指令给出要求上传剖面数据的微型浮标的总数，并勾选要求上传剖面数据的微型浮标的ID号，在此基础上点击“所选微型浮标上传位置信息”按钮即可完成单个微型浮标的上传剖面数据控制。
2)一个微型浮标集群上传剖面数据控制
“一个集群上传剖面数据控制”通过广播实现，要求上传剖面数据的微型浮标的总数为N个；
(4)微型浮标定时上传剖面数据控制
点击监听开始按钮，触发定时器，定时下发数据，收集全体浮标数据，将数据内容更新到显示界面。记录入数据库。
本发明基于微型浮标集群探测系统架构包括微型浮标集群实体，组网通信技术、集群管控技术、微型浮标集群仿真系统的环境信息回传、获取和显示。
本发明描述的“基于微型浮标集群应用的浅水近海水文环境准实时探测系统”，相对传统海洋观测浮/潜标，可实现快速集群式布放和智能管控，具有获取有效剖面数据时间短，随海洋环境变化更新数据快和易操作、低成本、模块化和便于组网多点覆盖等优势，作为卫星遥感、海洋调查船、飞行观测、无人潜水器等海洋立体观测系统的有效补充，进一步可为遂行登陆点濒海环境侦察、滨海重要工程建设等浅海水域海洋环境要素调查和海洋环境精细化模型构建边界场实测数据保障等提供装备与技术支撑。
有益效果：本发明的基于微型浮标快速布放和集群组网的探测系统，适用于浅水近海水文环境准实时探测应用，相对传统海洋观测浮/潜标，可实现快速集群式布放和智能管控，具有获取有效剖面数据时间短，随海洋环境变化更新数据快和易操作、低成本、模块化和便于组网多点覆盖等优势，作为卫星遥感、海洋调查船、飞行观测、无人潜水器等海洋立体观测系统的有效补充，进一步可为遂行登陆点濒海环境侦察、滨海重要工程建设等浅海水域海洋环境要素调查和海洋环境精细化模型构建边界场实测数据保障等提供装备与技术支撑。
海洋空间广袤，随着装备日益向无人化、小型化、密集型、组网式方向发展，海场环境保障也要发展一种能够密集布放、响应迅速、高效实用的海洋环境多要素获取手段，但传统的海洋环境观探测手段主要应用于大中尺度、中长远时期和相对稳定状态下的环境数据调查与特征研究，周期长、成本高、技术复杂等因素弱化了其在特定时期、对特定区域实施快速、机动和精细调查能力。
传统海洋实况站及浮潜标因施工与布放难度大、信息收集周期长、使用成本高和建设数量少而导致实况资料紧缺问题，需要设计开发一种符合水动力特性及搭载探测载荷的机电控制一体化智能微型浮标，突破水下定深控制(≤20m的不同海深剖面)与数据获取、水面动态组网与数据传输等技术难题，形成部署速度快、数据获取实时性强、可与传统大型浮标互为补充的浅水近海准实时探测系统，提升海洋环境精细化调查能力。
附图说明
图1为浮标的整体结构示意图；
图2为本发明微型智能浮标集群通信管控与组网示意图。
图3为本发明微型智能浮标集群中中心浮标图。
图4为微型浮标集群管控仿真演示系统界面。
图5为微型浮标集群仿真系统的交互流程。
图6为微型浮标集群下潜控制的具体流程。
图7为微型浮标集群上传位置信息控制的具体流程。
图8一个微型浮标集群上传剖面数据控制的具体流程。
图9模块实时掌握微型浮标信息；
图10测试区域示意图。
图11浮标集群流向角度和流速展示；
图12微型浮标集群获取的温度实时变化。
具体实施方式：
微型浮标可图1给出单个微型浮标整体结构示意图，包括上外壳、下外壳、第一支撑板、电机和螺杆，所述上外壳与下外壳套接以围成密封容置空腔，所述第一支撑板、电机及螺杆均设置于密封容置空腔中；所述电机与上外壳固定连接，所述第一支撑板与下外壳固定连接，且第一支撑板上设置有螺孔，所述螺杆的一端与电机固定连接，所述螺杆的另一端穿过螺孔，且所述螺杆与螺孔啮合；电机驱动螺杆转动时，螺杆相对螺孔旋转以驱动第一支撑板运动，所述下外壳相对于上外壳运动以改变密封容置空腔的体积大小。通过微型海洋监测浮标自身的体积大小改变以调整其所受浮力，实现微型海洋监测浮标在竖直方向上移动。但单个浮标并不能获得场环境的数据。
微型浮标集群硬件标体子系统，微型浮标集群探测方法与系统中，由6个以上，(如10个，数量可根据任务需要确定)微型浮标组成，其中1个浮标作为中心或兼指令浮标，其余为探测浮标。浮标的机械结构主要包括外壳、体积调节装置、通信设备和各类传感器，外壳由两个圆筒通过密封胶圈相嵌套，通过体积调节装置使得圆筒能够发生相对滑动，改变其体积，同时密封胶圈可以使外壳内部形成密闭空间，具有良好的防水性；体积调节装置为由支撑杆、支撑板、电机、滑套、螺杆、联轴器组成，电机固定在支撑板上，其转动轴与螺杆相连，螺杆与联轴器相连，通过电机的转动带动联轴器转动，从而使得螺杆能够轴向移动，这样上方的两块支撑板之间的三根支撑杆通过滑套进行滑动，进而改变浮标的体积；微型海洋监测浮标内部有高聚合物电池组用以供电，搭载各型传感器和通信模块，用以采集温度、水压等数据，实现通信自组网以及远程通信；微型浮标通过壳体拉伸改变自身体积进而改变浮力实现在水下升潜以及定深；浮标的整体结构示意图如附图1所示。图1中，1为支撑板-1、2为支撑柱、3为支撑板-2、4为支撑板-3、5为支撑板-4、6为通信设备、7为上外壳、8为控制电路、9为电机、10为联轴器、11为滑套、12为螺杆、13为密封胶圈、14为法兰螺母、15为电池、16为下外壳、17为传感器。设有浮球状天线，浮球状天线是指设有一浮球作为天线的承载体，而浮球与通信设备之间在导线连接，导线的长度为20米以内(如图3中所示)，导线与浮球上金属电连接作为天线。便于本浮球天线与传感器潜入时的通信。
通信组网与集群管控技术方法，微型浮标集群间通信组网根据各浮标位置、负载以及数据包的优先级等信息，以优化网络性能为目标，获得中心浮标的最优位置。为了实现中心浮标对各微型浮标的全连通覆盖，降低传输时延，选取传输时延作为网络性能指标，将中心浮标的移动策略问题转化为最小化各微型浮标数据传输的传输时延，即：
Figure BDA0003722122840000061
Δi∝ωi(li,pi)·||s-si||
公式中，B＝{1,2,…,N}表示微型浮标集合；Δi表示中心浮标和微型浮标i之间的数据包传输时延；s、si分别表示中心浮标、微型浮标i的位置；||s-si||表示中心浮标和微型浮标i的欧氏距离；ωi(li,pi)表示微型浮标i的数据包的权重，它由微型浮标i的节点负载li和数据包的优先级pi决定。
微型智能浮标采用领航者-跟随者方法构建集群控制系统，基本思想是领航者跟踪预定义的参考轨迹，跟随者根据预定义的方案跟踪领航者的状态。中心浮标设为领航者，设定中心浮标的坐标为预定义的参考轨迹。微型智能浮标设为跟随者，当微型智能浮标漂浮在水面时，按照预定义的参考轨迹，微型智能浮标与中心浮标进行通信，完成整个集群组网。与此同时，上位机可通过通信系统远程连接到中心浮标，再由集群组网通信系统将指令下发到微型智能浮标，形成集群控制系统。微型智能浮标集群通信管控与组网示意图由附图2所示。
控制处理一体化软件子系统
软件系统由地图模块(GIS地理信息系统)、通信控制模块和数据显示模块组成，其中地图模块主要是海图的显示，GIS地理信息系统主要对海况中浮标的位置显示，在界面上地图部分会显示中心浮标当前的位置，且当有浮标浮出水面时，界面上也能显示浮标的实时位置，并以列表的形式显示上述信息，可通过滚动条观看剩余其余信息；通信控制模块是基于LoRa通信方式，给微型浮标集群下发各种控制指令，控制微型浮标的各种动作，包括自主浮潜控制、定深控制、探测数据回传以及自身位置信息回传等数据；显示模块是在人机交互系统的界面显示微型浮标的数据信息，主要显示微型浮标回传的数据，包括温度、深度以及运动姿态，可通过界面实时掌握微型浮标的基础信息和剖面信息。微型浮标集群管控仿真演示系统界面如图3所示。图3中心浮标图，中心浮标与微型智能浮标进行组网，微型智能浮标通过LORA和中心浮标通信，而中心浮标和卫星进行通信传给上位机。
系统整体框架：
微型智能浮标仿真演示系统是通过使用LoRa通信协议控制微型浮标的自主运动以及探测要素信息的收集，在此基础上通过LoRa通信协议将探测要素信息、位置信息等数据进行回传，并进行处理，将处理后的结果在仿真演示系统上显示，提供良好的人机交互。微型浮标集群仿真系统的交互流程如图4所示。
系统下行指令流程：
(1)微型浮标下潜控制
1)单个微型浮标下潜控制
“单个微型浮标下潜”这一指令是通过事务1操作实现的，即在仿真演示系统的控制面板区域选择微型浮标的ID号，并填写自主下潜指令的相关参数，包括下潜深度、下潜时间和延迟，然后点击“所选微型浮标下潜”按钮即可完成单个微型浮标的下潜控制。
2)一个微型浮标集群下潜控制
“一个集群下潜控制”这一指令是通过事务7操作实现的，该指令是通过广播实现的，其操作流程也与“单个微型浮标下潜控制”的操作流程相似，其区别仅在于选择输入微型浮标下潜总数为0个，且不需要勾选任意的微型浮标的ID号。一个微型浮标集群下潜控制的具体流程如图5示。
(2)微型浮标上传位置信息控制
当微型浮标未处于自主浮潜运动，即不处于水中时，仿真演示系统可以通过LoRa通信协议下发控制指令，要求微型浮标上传其位置信息，该功能包括单个微型浮标位置信息上传控制和一个集群位置信息上传控制。
1)单个微型浮标上传位置信息控制
“单个微型浮标上传位置信息控制”这一指令是通过事务2操作实现的，即在仿真演示系统的控制面板区域填写要求上传位置信息的微型浮标的总数，并勾选要求上传位置信息的微型浮标的ID号，在此基础上“所选微型浮标上传位置信息”按钮即可完成单个微型浮标的上传位置信息控制。
2)一个微型浮标集群上传位置信息控制
“一个集群上传位置信息控制”这一指令是通过事务8操作实现的，该指令是通过广播实现的，其操作流程也与“单个微型浮标上传位置信息控制”的操作流程相似，其区别仅在于填写要求上传位置信息的微型浮标的总数为0个，且不需要勾选任意的微型浮标的ID号。一个微型浮标集群上传位置信息控制的具体流程如图6所示。
(3)微型浮标上传剖面数据控制
当微型浮标完成自主浮潜或定深运动回到水面上时，需要将其获取的剖面数据进行回传。微型浮标不能自主回传剖面数据信息，只有当仿真演示系统通过LoRa通信协议下发上传剖面数据控制指令，要求微型浮标上传其剖面数据时微型浮标才将其探测获取的剖面；数据进行上传。该功能包括单个微型浮标剖面数据上传控制及一个集群剖面数据上传控制。
1)单个微型浮标上传剖面数据控制
“单个微型浮标上传剖面数据控制”这一指令是通过事务3操作实现的，即在仿真演示系统的控制面板区域填写要求上传剖面数据的微型浮标的总数，并勾选要求上传剖面数据的微型浮标的ID号，在此基础上点击“所选微型浮标上传位置信息”按钮即可完成单个微型浮标的上传剖面数据控制。
2)一个微型浮标集群上传剖面数据控制
“一个集群上传剖面数据控制”这一指令是通过事务10操作实现的，该指令是通过广播实现的，其操作流程也与“单个微型浮标上传剖面数据控制”的操作流程相似，其区别仅在于填写要求上传剖面数据的微型浮标的总数为0个，且不需要勾选任意的微型浮标的ID号。一个微型浮标集群上传剖面数据控制的具体流程如图7所示。
(4)微型浮标定时上传剖面数据控制
点击监听开始按钮，触发定时器，定时下发数据，收集全体浮标数据，将数据内容更新到显示界面。记录入数据库。
系统上行数据及内容展示：
当指控处理系统通过LoRa通信协议获取了微型浮标的相关信息(位置信息、电量、剖面数据信息等)后，通过数据处理，即可在数据演示模块显示微型浮标相关信息，包括温度实时变化、深度以及运动姿态，通过该模块实时掌握微型浮标信息，如图8所示，测试区域示意如图9所示。浮标集群流向角度和流速展示如图10所示，微型浮标集群获取的温度实时变化如图11所示。
通过实验室试验、水池试验、湖试和海试四个阶段，验证该探测可实现以下主要功能和性能：
功能和性能：具备温度、深度和表面流速探测功能，且预留有其他探测要素接口；GPS双模定位，定位精度≤2米；能够实现20m以内浮潜的自主控制，包括自主升潜，定深和姿态控制；微型浮标集群水面通信采用LoRa组网通信，通信距离不小于100m；
微型浮标探测数据无线数据接收率不低于90％；仿真演示系统根据回传数据，显示微型智能浮标位置、漂移轨迹、温度；
功能和性能：传感器模块选择使本发明具备温度、深度和表面流速探测功能，温度测量模块选用MS5837-30BA水深传感器，其主要原因是MS5837-30BA水深传感器是一款高精度压力传感器，可以作为测深模块，同时，该传感器还具有压力值温漂修正的功能，也可以作为温度测量模块。MS5837-30BA水深传感器接口使用的是IIC通信协议，采集的标定参数可得到获取24位精度的温度数据。MS5837-30BA压力传感器内部已经过封装，可以与市场上的处理器搭配使用。传感器使用防水胶和防磁不锈钢圈，使得其具备良好的防水性能，具有优异的长期稳定性。且预留有其他探测要素接口；GPS双模定位，定位精度≤2米；能够实现20m以内浮潜的自主控制，包括自主升潜，定深和姿态控制；微型浮标集群水面通信采用LoRa组网通信，通信距离不小于100m；微型浮标探测数据无线数据接收率不低于90％；仿真演示系统根据回传数据，显示微型智能浮标位置、漂移轨迹、温度。

Claims (5)

1.微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法，其特征是，由10个以上的微型浮标布放(漂流)在海洋，其中1个微型浮标功能定位为中心指令浮标，与集群内其余微型探测浮标进行无线组网通信联系，实现海洋环境信息快速集群组网探测；微型浮标具有深度控制装置，内置网络通信模块、卫星通信模块、GIS地理信息模块和海水温度、压力传感器；
通信组网与集群管控方法，微型浮标集群间通信组网根据各微型浮标位置、负载以及数据包的优先级等信息，以优化网络性能为目标，获得中心浮标的最优位置；为了实现中心浮标对各微型浮标的全连通覆盖，降低传输时延，选取传输时延作为网络性能指标，将中心浮标的移动策略问题转化为最小化各微型浮标数据传输的传输时延，即：
Figure FDA0003722122830000011
Δi∝ωi(li,pi)·||s-si||
公式中，B＝{1,2,…,N}表示微型浮标集合，N为集群内微型浮标总数；Δi表示中心浮标和微型浮标i之间的数据包传输时延；s、si分别表示中心浮标、微型浮标i的位置；||s-si||表示中心浮标和微型浮标i的欧氏距离；ωi(li,pi)表示微型浮标i的数据包的权重，它由微型浮标i的节点负载li和数据包的优先级pi决定；节点负载l通过统计节点的数据包数量获得；数据包的优先级p是根据消息的重要性和紧迫性依据专家经验确定；数据包类型共有位置数据、测量数据和控制数据三种类型，每种数据类型对应一个数据类型索引DCI，DCI取值越大，表示消息越重要，优先级越高；位置数据、测量数据和控制数据三种类型三类数据的DCI取值分别为1，2，3。
2.根据权利要求1所述的微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法，其特征是，微型智能浮标硬件设备采用“领航者-跟随者”方法构建集群控制系统，领航者按照预定义的参考轨迹，跟随者根据预定义的方案跟踪领航者的状态；中心浮标设为领航者，设定中心浮标的坐标为预定义的参考轨迹；微型智能浮标设为跟随者，当微型智能浮标漂浮在水面时，按照预定义的参考轨迹，微型智能浮标与中心浮标进行通信，完成整个集群组网；与此同时，上位机通过通信系统(移动通信或卫星通信)远程连接到中心浮标，再由集群组网通信系统将指令下发到微型智能浮标，形成集群控制系统。
3.根据权利要求1所述的微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法，其特征是，微型智能浮标探测控制软件系统由地图模块、通信控制模块和数据显示模块组成，其中地图模块在海图显示中心浮标及探测浮标当前的位置，且当有浮标浮出水面时，界面上也能显示浮标的实时更新位置，并以列表的形式显示上述信息，通过滚动条观看剩余其余信息；通信控制模块是基于LoRa通信方式，给微型浮标集群下发各种控制指令，控制微型浮标的各种动作，包括自主浮潜控制、定深控制、探测数据回传以及自身位置信息回传等数据；显示模块是在人机交互系统的界面显示微型浮标的数据信息和微型浮标回传的数据，包括温度、深度以及运动姿态，通过界面实时掌握微型浮标的基础信息和剖面信息。
4.根据权利要求3所述的微型浮标快速布放和集群组网的海洋环境探测方法，其特征是，通过使用LoRa通信协议控制微型浮标的自主运动以及探测要素信息的收集，在此基础上通过LoRa通信协议将探测要素信息、位置信息等数据进行回传，并进行处理，将处理后的结果显示：
(1)微型浮标下潜控制
1)单个微型浮标下潜控制
“单个微型浮标下潜”，选择微型浮标的ID号，并填写自主下潜指令的相关参数，包括下潜深度、下潜时间和延迟，然后点击“所选微型浮标下潜”按钮即可完成单个微型浮标的下潜控制；
2)微型浮标集群下潜控制
“一个集群下潜控制”通过广播实现，选择输入微型浮标下潜总数为N个，并填写自主下潜指令的相关参数，包括下潜深度、下潜时间和延迟；
(2)微型浮标上传位置信息控制
当微型浮标未处于自主浮潜运动，即不处于水中时，通过LoRa通信协议下发控制指令，要求微型浮标上传其位置信息，该功能包括单个微型浮标位置信息上传控制和一个中心浮标集群位置信息上传控制；
1)单个微型浮标上传位置信息控制，控制端发出如下指令，填写要求上传位置信息的微型浮标的总数，并勾选要求上传位置信息的微型浮标的ID号；
2)一个微型浮标集群上传位置信息控制
“一个集群上传位置信息控制”通过广播实现，选择输入微型浮标上浮总数为N个；
(3)微型浮标上传剖面数据控制
当微型浮标完成自主浮潜或定深运动回到水面上时，需要将其获取的剖面数据进行回传；微型浮标不能自主回传剖面数据信息，只有当系统通过LoRa通信协议下发上传剖面数据控制指令，要求微型浮标上传其剖面数据时微型浮标才将其探测获取的剖面数据进行上传；包括单个微型浮标剖面数据上传控制及一个集群剖面数据上传控制；
1)单个微型浮标上传剖面数据控制
“单个微型浮标上传剖面数据控制”，控制指令给出要求上传剖面数据的微型浮标的总数，并勾选要求上传剖面数据的微型浮标的ID号，在此基础上点击“所选微型浮标上传位置信息”按钮即可完成单个微型浮标的上传剖面数据控制；
2)一个微型浮标集群上传剖面数据控制
“一个集群上传剖面数据控制”通过广播实现，要求上传剖面数据的微型浮标的总数为N个；
(4)微型浮标定时上传剖面数据控制
点击监听开始按钮，触发定时器，定时下发数据，收集全体浮标数据，将数据内容更新到显示界面；记录入数据库。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法使用的设备海洋环境微型浮标集群探测装置，其特征是，微型浮标包括上外壳、下外壳、第一支撑板、电机和螺杆，所述上外壳与下外壳套接以围成密封容置空腔，所述第一支撑板、电机及螺杆均设置于密封容置空腔中；所述电机与上外壳固定连接，所述第一支撑板与下外壳固定连接，且第一支撑板上设置有螺孔，所述螺杆的一端与电机固定连接，所述螺杆的另一端穿过螺孔，且所述螺杆与螺孔啮合；电机驱动螺杆转动时，螺杆相对螺孔旋转以驱动第一支撑板运动，所述下外壳相对于上外壳运动以改变密封容置空腔的体积大小；通过微型海洋监测浮标自身的体积大小改变以调整其所受浮力，实现微型海洋监测浮标在竖直方向上移动；设有浮球状天线，浮球状天线是指设有一浮球作为天线的承载体，而浮球与通信设备之间在导线连接，导线的长度为20米以内，导线与浮球上金属电连接作为天线；便于本浮球天线与传感器潜入时的通信。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201555854U (zh) * 2009-12-18 2010-08-18 杭州电子科技大学 一种海洋浮标传感监测网
CN102167136A (zh) * 2010-12-16 2011-08-31 中国船舶重工集团公司第七一○研究所 一种海洋升降潜标系统
RU130290U1 (ru) * 2013-02-28 2013-07-20 Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас" (ОАО "МКБ "Компас") Автономная позиционная станция зондирования водной среды
KR101913505B1 (ko) * 2017-06-26 2018-10-30 정선진 해양 관측용 부이
CN110422281A (zh) * 2019-07-26 2019-11-08 山东蓝海可燃冰勘探开发研究院有限公司 海洋物联网智能浮标、水面或水下目标探测系统及其方法
CN110636137A (zh) * 2019-10-14 2019-12-31 河海大学常州校区 一种海洋观监测网络中基于集群的nfv服务链优化方法
CN111137405A (zh) * 2020-01-08 2020-05-12 中国电子科技集团公司电子科学研究院 一种数据传输系统
CN111232132A (zh) * 2020-02-20 2020-06-05 福建师范大学 一种海洋观测浮标的控制系统及其控制方法
CN112566060A (zh) * 2020-12-18 2021-03-26 天津工业大学 一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201555854U (zh) * 2009-12-18 2010-08-18 杭州电子科技大学 一种海洋浮标传感监测网
CN102167136A (zh) * 2010-12-16 2011-08-31 中国船舶重工集团公司第七一○研究所 一种海洋升降潜标系统
RU130290U1 (ru) * 2013-02-28 2013-07-20 Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас" (ОАО "МКБ "Компас") Автономная позиционная станция зондирования водной среды
KR101913505B1 (ko) * 2017-06-26 2018-10-30 정선진 해양 관측용 부이
CN110422281A (zh) * 2019-07-26 2019-11-08 山东蓝海可燃冰勘探开发研究院有限公司 海洋物联网智能浮标、水面或水下目标探测系统及其方法
CN110636137A (zh) * 2019-10-14 2019-12-31 河海大学常州校区 一种海洋观监测网络中基于集群的nfv服务链优化方法
CN111137405A (zh) * 2020-01-08 2020-05-12 中国电子科技集团公司电子科学研究院 一种数据传输系统
CN111232132A (zh) * 2020-02-20 2020-06-05 福建师范大学 一种海洋观测浮标的控制系统及其控制方法
CN112566060A (zh) * 2020-12-18 2021-03-26 天津工业大学 一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
史剑，闻斌，王凯: "利用浮标资料初步评估NCEP再分析湍通量", 《海洋预报》, vol. 24, no. 2, 31 May 2007 (2007-05-31), pages 74 - 82 *

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