CN1804923A

CN1804923A - 深海水下长期锚系自动观测装置

Info

Publication number: CN1804923A
Application number: CN 200510044200
Authority: CN
Inventors: 曹志敏; 于新生; 张晓东; 唐功友; 安伟
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: CN100397432C

Abstract

本发明是一种深海水下长期锚系自动观测装置包括：由重块锚锭的观测框架，在该框架上安装集成有传感器，观测仪器，数据采集器系统模块，长距离无线声学调治解调器及电池。该数据采集器系统模块是与数据通讯系统模块连接的；该通讯系统模块将来自该采集器系统模块处理后的观测数据，通过串行接口传输到长距离无线声学调制解调器中，再由该调制解调器在水下通过微处理器及标准串行接口与外接计算机连接，将该数据传播到外接计算机。本装置适应于各种深海水下探测任务，如海洋物理、海洋化学、海洋生物、生物化学，为深海资源的探索研究提供技术支撑。本装置具有结构简单、实用性强、可实现深海水下数据无线通讯、自动化程度高的特点。

Description

深海水下长期锚系自动观测装置

技术领域

本发明涉及一种深海水下锚系系统，特别是一种深海水下长期锚系自动观测装置，其涉及可进行水下无线通讯的长期定点锚系观测装置。

背景技术

现有技术的长期定点探测技术为人类了解海底的基本科学问题提供有用的途径，使人类能够了解地质、化学以及生物等领域内的时空演变与分布，为人类合理的开发和利用海底资源提供依据。现有的水下锚系系统由观测框架、测量传感器、水下电池、数据采集系统、水下重块、声学释放器和产生正浮力的浮球系统组成。观测框架主要为传感器、电池、数据采集系统提供一个集成的空间并保护观测仪器在投放、水下观测和回收时避免与其他物体进行碰撞而造成传感器或其他仪器设备的损伤。同时观测框架还必须具有良好的开放性，对海水流动的干扰要小，从而将由观测框架引起的测量误差降低到最小(譬如，海流的测量)。当系统进行投放时，将重块、声学释放器，观测框架，和浮球系统依次用不锈钢钢缆连接好，从调查船上投放到水中，系统依靠重块产生的负浮力将降落到海底。由于重块的重量最大，所以重块将首先到达海底表面，由于观测框架在浮球所产生的正浮力和重块所产生的负浮力的作用下，在水下保持相对的稳定状态，因此可以对某一规定的位置进行长期的监测。水下传感器的测量是根据投放前所预先设置的采样周期和间隔来完成，所有观测数据将集中储存到数据采集器中的存储介质中。当完成系统观测时，将调查船行驶到所投放的区域，由水面的声学释放器控制单元向水下发射声学指令，水下声学释放器接收到来自水面的释放指令后，既进行脱钩操作，使声学释放器与重块脱离，系统此时依靠浮球的正浮力回升到水面。水面的调查船将观测系统从水面打捞回收到船上，将数据采集器中的观测数据下载到计算机的硬盘中供实验室内分析。因此，传统的深海水下锚系观测系统存在需要将系统取回水面调查船才能获得观测资料的费时(从水深4000米的海底取回观测系统，如海况良好时，需要至少3小时以上时间)，费力(船上绞车及人力的回收工作)等缺陷。现有的水下锚系观测系统的特点是：只有将系统回收后才能获得所观测的资料。可是目前的水下长期定点观测系统存在如下缺陷：(1)定点观测数据资料需要观测系统回收后才能得到，这对深海海底观测调查的每次获取观测数据资料，需要较高的船只和人员费用；(2)观测设备在水下工作时无法根据具体情况进行临时调节/控制；(3)无法进行局部区域内多系统的协调观测工作，譬如与水下自主式机器人(AUV)、遥控式机器人(ROV)联合观测和通讯。

发明内容

本发明的发明目的是克服上述的不足，提供了一种深海水下长期锚系自动观测装置，其是可利用声学通讯技术进行数据的实时传输的自动水下长期定点锚系观测装置。由于在海底的热液活动区中的地球化学和生物研究中，亟需进行长期连续、而不是瞬间短暂的观测。本发明的装置要适应于实际需求，其要与水下自动机器人(AUV)，载人深潜器、水下遥控机器人(ROV)以及水面浮标等系统通过水下无线声学信号进行信息交换，完成观测数据资料通和控制指令的远距离发送和接受；通过水面的调查船、水面浮标和卫星，将观测资料实时传输到陆地实验室；同时多个本装置可以在海底组成网络化水下观测体系，以实现对某一特定区域的立体化如地球化学、生物、地球物理等长期实时综合观测。

本发明的目的是由以下技术方案实现的，研制了一种深海水下长期锚系自动观测装置，其包括：由重块锚锭在海底不发生位移的观测框架，在该框架上安装集成有传感器，观测仪器，含有独立内嵌式数据通讯接口的数据采集器系统模块，长距离无线声学调治解调器及电池。所述的数据采集器系统模块是与数据通讯系统模块连接的；即数据通讯系统模块中的W78E58B单片机中的8位并行数字接口与数据采集器系统模块中的8位数字模块ADAM5051直接连接；该通讯系统模块将来自该采集器系统模块处理后的观测数据，通过串行接口传输到长距离无线声学调制解调器中，再由该声学调制解调器在水下通过该数据采集器系统模块中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器及其本身所包含的标准串行接口RS232与外接计算机连接，并将该数据传播到远方或水上外接计算机。

所述的数据通讯系统模块是一独立系统，其包括：低功耗的W78E58B单片机，总线扩展芯片74LS373，程序运行监视定时器电路，大容量的数据保存电路和串行口扩展电路，可编程器件EPM7032构成的系统接口协调工作控制电路、驱动电路，将并行输出转换为串行输出的16C550接口芯片；所述的W78E58B单片机通过数据采集器系统模块中的AMI-120数字总线接口和ADAN5051数字并行接口与该系统模块中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器连接；该W78E58B单片机还通过MAX232驱动芯片和标准的RS232串行与长距离无线声学调制解调器连接。

所述的程序运行监视定时器电路，其包括：具有通讯协议和数据管理功能程序的W78E58B单片机，该单片机总线上连接有时钟电路DS12887芯片和由兼有看门狗定时器、复位定时器和EEPROM三种功能的x25045芯片。

所述的大容量的数据保存电路，其是由该单片机通过数据储存RAM芯片62256而构成具有数据存储模块的数据保存电路。

所述的串行口扩展电路，其由16C550芯片和EPM7032可编程器件构成，该16C550芯片将8位并行输出转换为串行输出，并通过芯片MAX232提供标准的RS232串行逻辑信号接口与长距离无线声学调治解调器连接。

所述的长距离声学调治解调器，其为双水下声学调治解调器，其中一个声学调制解调器为实现水平方向的无线传输指令和数据的通讯而设置的；另一个声学调制解调器为实现垂直方向的无线传输指令和数据的通讯而设置的。

本发明的积极效果在于：为实现对水体中的某一位置的长期观察目的。本装置的观测框架内在垂直方向上和水平方向上各集成一个声学调制解调器，垂直通讯距离为10000米。两声学调制解调器与观测框架内的数据采集器系统模块相连。因此各传感器所观测的数据通过数据采集器系统模块进行综合整理，然后由声学调制解调器实现长距离的无线传输。本装置投放和回收操作简单，从调查船上将系统投入海水中即可。本装置系统是依靠锚系重块的所产生的负浮力沉到海底。当水下观测实验结束时，通过调查船上的声指令对声学释放器发射释放指令。声学释放器随即执行与重块的脱钩操观测系统在浮球的正浮力作用下自动返回水面可回收到调查船上。由于本装置的数据采集器系统模块只拥有一个微处理器(CPU)，其处理资源有限，其微处理器需要对所有传感器和仪器进行采集和控制，如再同时进行通讯处理容易造成系统的实时性和并行性变的很差，甚至可能产生通讯过程中分组丢失的现象，因为数据采集和控制与数据通讯属于异步实时任务；其次，各节点的数据采集器存在着所采用的微处理器的型号以及操作系统的不同，各节点的通讯软件的设计需根据不同系统进行针对性开发，带来了系统设计的复杂性并造成引起设计的复用性降低。所以，本发明的装置采用了独立内嵌式数据通讯芯片与数据采集器进行集成的数据采集器系统模块形式，根据功能的不同划分为两大模块：数据采集器系统模块和数据通讯系统模块。这样通过分别独立的设计和调试开发，降低了本发明的装置系统的开发成本和制作周期和成本。此外，由于采用标准接口设计实现各模块的连接，使得各模块之间便于互联。由于所采用的水下无线声学调制解调器产品的接口为串行RS232通讯口，本装置中的通讯电路模块也设计了两个串行RS232与声学调制解调器进行通讯。

为提高数据传输的准确性，降低误码率，本发明的装置采用海底在水平方向由多个“观测系统节点”组成一平面网络拓扑结构，从海底到水面的通讯只能通过唯一的一个“水下基站”来完成。各“观测系统节点”的数据通讯模块只有一个水下声学调制解调器，该声学调制解调器只能进行水平方向上的数据传输和接受；而“水下基站”安置有两台水下声学调制解调器，一台用于水平方向上的数据发送和接受，而另一台只负责垂直方向上的数据传输和接受。两个“水下观测节点”分别与“水下基站”在水平方向上进行通讯，而“水下基站”可以将各“节点”的数据进行汇总后，再由基站上的声学调制解调器进行垂直方向上的数据发射和接收，与水面的浮标和调查船进行通讯，从而实现了水下三维空间的数据传输。

本发明的装置适应于在海底的热液活动区中的地球化学和生物研究中的实际需求，其结构特点是，由于“节点”只进行水平方向的通讯，既只利用一个水下声学调制解调器，相对于每个“节点”使用两个声学调制解调器的结构而言，减少了声学调制解调器的电源攻耗。本发明的水下定点锚系观测系统装置可以与AUV，载人深潜器、ROV进行通讯和数据的收集，因此可以实现对某一特定区域的立体化实时综合观测，彻底解决了当前深海水下长期定点观测设备中存在的观测数据不具备实时性、观测任务不可调整等问题；使本装置适应于各种深海水下探测任务，譬如，深海水下海洋物理、海洋化学、海洋生物、生物化学等，为我国深海资源的探索研究提供了有利的技术支撑。本水下观测装置具有结构简单、实用性强、可实现深海水下数据的无线通讯、自动化程度高等特点。

附图及其具体实施方式

本发明的实施例结合附图进一步说明如下：

图1为深海水下长期锚系自动观测装置的结构方框图。

图2为具体应用实例示意图(由两台本锚系自动观测装置和一台水下自动机器人组成的监测网络系统)。

图3为深海水下长期锚系自动观测装置的无线观测通讯系统的结构方框图。

图4自动观测装置的无线观测通讯系统的电路图。

本发明的观测装置附图说明如图1——4：制成的深海水下长期锚系自动观测装置，其包括图1所示的：浮球1，观测框架2，垂直方向的声学调制解调器3，水平方向声学调制解调器4，声学释放器5，锚系重快6，水下电源电池7，数据采集器系统模块8，观测传感器9。其中观测框架2为各传感器和仪器提供了搭载和系统集成平台。水下电源7为该框架2内的各仪器设备提供能源主持，传感器9记录水下的变化参数并将数据传输到数据采集器系统模块8中。本发明采用数据采集器系统模块8是研华公司出品的商业化内嵌PCM-7220模块，其具体性能如下：含有Intel PXA-250 200/400MHz处理器，带有32M Flash，64M SDRAM储存设备，预装win CE/Linux操作系统，集成了4个串行通讯、2个USB数据通讯接口，带有AMI-120扩展总线。该数据采集器系统模块8将传感器观测的资料进行处理。水下声学调制解调器3和一旦接受到相应的控制指令立即发送到数据采集器系统模块8中，数据采集器系统模块8立即执行根据中断请求编码执行相应的中断服务程序，譬如，启动数据发送以及更改采样间隔等。采用水下声学调制解调器3或4是美国LinkQuest公司的产品，其选用型号为UWM6000，工作深度范围为10000米，工作半径为4000米，最高传输速度(波特率)为9600byte/second；工作频率17KHz；误码率小于10^-7。

本发明锚系自动观测装置的无线观测通讯系统的具体实施方式，结合图3、4结构方框图和电路图描述如下：由重块6锚锭在海底不发生位移的观测框架2，在该框架2上安装集成有观测传感器9，含有独立内嵌式数据通讯接口的数据采集器系统模块8，长距离无线声学调治解调器3，4及电源电池7。所述的数据采集器系统模块8是与数据通讯系统模块13连接的；即数据通讯系统模块13中的W78E58B单片机中的八位并行数字接口与数据采集器系统模块8中的ADAM5051八位数字模块8.1直接连接；该通讯系统模块13将来自该采集器系统模块8处理后的观测数据，通过串行接口传输到长距离无线声学调制解调器3或4中，再由该声学调制解调器3或4在水下通过该数据采集器系统模块8中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器将数据进行通讯连接，并将传感器的观测数据传播到远方或水面调查船接收设备上。由于美国LinkQuest公司的水下声学调制解调器都采用标准的串行通讯接口(RS232)，因此通讯系统模块13必须具有2个串行口。由于该数据通讯系统模块13可以配合数据采集模W78E58B单片机只有一个串行接口(RXD和TXD)，对于进行水平通讯的海底观测系统来讲是足够了，该系统只连接一台水下声学调制解调器3或4。可是对于水下通讯基站来讲，需要两台水下声学调制解调器3和4来完成水平方向和垂直方向上的通讯协调任务。因此，本发明采用了一个异步通讯芯片(UART)16C550将来自W78E58B单片机并行口的信号转换成串行口通讯模式，供另一台水下声学调制解调器使用。因此，通过一个单片机完成水下无线声学调制解调器3或4的数据传输和通讯功能。

所述的数据通讯系统模块13是一独立系统，其包括：低功耗的W78E58B单片机，总线扩展芯片74LS373，程序运行监视定时器电路，大容量的数据保存电路和串行口扩展电路，可编程器件EPM7032构成的系统接口协调工作控制电路、驱动电路，将并行输出转换为串行输出的16C550接口芯片；所述的W78E58B单片机通过数据采集器系统模块8中的AMI-120数字总线接口和ADAM5051八位数字模块8.1——数字并行接口与该系统模块8中的IntelPXA-250200/400MHz微处理器连接；该W78E58B单片机还通过MAX232驱动芯片和标准的RS232串行与长距离无线声学调制解调器连接。

所述的串行口扩展电路，其由16C550芯片和EPM7032可编程器件构成，该16C550芯片将8位并行输出转换为串行输出，并通过芯片MAX232提供标准的RS232串行逻辑信号接口与长距离无线声学调治解调器3，4连接。

由于本发明采用了以太网的通讯协议，因此需要时间信息以判断在规定的时间内是否可以进行通讯。因此采用时钟芯片DS12887给系统提供时钟，单片机每秒从时钟芯片那里获得时间信息，利用时间对串行通讯口进行控制。为保证在数据在传输和接收中具有可靠的历史记录，数据通讯系统模块13中采用了62256的数据储存RAM芯片。由于上述异步通讯芯片、时钟芯片、以及数据储存RAM芯片都通过数据总线进行数据传输，在设计中采用分时复用技术，因此利用可编程芯片EPM7032产生的片选信号来进行各芯片工作的协调，使它们可以共享数据和地址总线。芯片MAX232提供了标准的串行接口电平。为了保证单片机控制部分本身的可靠性，系统中增加了X25045器件。X25045芯片兼有看门狗定时器、复位定时器和EEPROM三种功能。看门狗定时器对微处理器提供了独立的保护系统，一旦出现故障，RESET可做出响应，使微处理器重新启动工作。

所述的长距离声学调治解调器3，4，其为双水下声学调治解调器3，4，其中一个声学调制解调器4为实现水平方向的无线传输指令和数据的通讯而设置的；另一个声学调制解调器3为实现垂直方向的无线传输指令和数据的通讯而设置的。

如图2所示：由两台海底定点锚系系统和一台水下自动机器人(AUV)16组成一水平监测网络系统。海底定点锚系系统中的水平方向声学调制解调器4与水下自动机器人(AUV)16中的声学调制解调器(图中未画出)建立通讯网络联系。两台海底定点锚系统之间可直接进行数据或指令的相互通讯，同时又可接受来自(AUV)16的控制指令，通过接受来自(AUV)16的指令进行传感器采样周期的变换，同时也可以将各海底定点锚系系统中传感器的工作状态、观测数据，传送到(AUV)16中。由此组成了海底区域水平网络化观测系统。图中虚线12为通讯传输通道的示意。

本发明的锚系自动观测装置具体工作原理描述如下：

本发明的锚系自动观测装置所采用的观测传感器9是由美国RDI公司生产，型号为WH300的深海海流剖面测量仪器，其主要进行深海的海流剖面测量(流速和流向)。来自测量传感器9的模拟信号经过信号调理电路进行滤波和放大处理后，经模拟与数字转换器将模拟信号转换成数字量后，将数字量传输到数据采集器系统模块8中的Intel PXA-250200/400MHz微处理器中进行采集处理后送到存储器进行储存。该微处理通过串行接口可以与外界的计算机14进行连接，在投放前通过计算机14实现对观测数据的采集间隔、采样频率等参数的设置。而在数据通讯系统模块13中的W78E58B单片机通过13位数字总线接口与数据采集器系统模块8中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器直接连接进行通讯，可以将来自数据采集器系统模块8中的观测数据进行处理后通过串行口传输到声学调制解调器3或4中，由声学调制解调器3或4将数据以声波的形式在水下传播到远方；同时，来自远方的控制指令，譬如改变传感器9的采样间隔等，也可以由声学调制解调器3或4接受并根据相应的通讯协议进行判别和解释，将接受的数据包转换成数字信号通过串行口传送到数据采集器系统模块8中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器中；再由数据通讯系统模块13中的W78E58B单片机(即，另一微处理器)将所要改变的参数通过数字接口电路传送到数据采集器系统模块8中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器中，该微处理器将根据所接受到的参数对原控制进行调整。由于两个微处理器(Intel PXA-250 200/400MHz微处理器和W78E58B单片机)在平时是两个独立的系统，每个微处理器均执行各自的任务。譬如数据采集器系统模块8中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器主要进行传感器的数据采集和控制；而数据通讯模块13中的W78E58B单片机(另一微处理器)主要是进行通讯协议及声学调制解调器的控制等。为建立两个微处理器之间的同步通讯联系，两微处理系统器采用中断请求线15进行联系。又譬如，当数据通讯系统模块13中W78E58B单片机(另一微处理器)接收到来自声学调制解调器3或4的信号后，将通过中断请求线15向数据采集器系统模块8中的IntelPXA-250200/400MHz微处理器发出中断请求信号，该数据通讯模块13中的W78E58B单片机(另一微处理器)接收到中断请求信号后，立即启动中断请求执行程序，该程序将通过数字接口向数据通讯系统模块13发出接收数据的信号，同时对接收到的信号进行处理。

本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，其都没有超出本发明的保护范围。

Claims

1、一种深海水下长期锚系自动观测装置，其包括：由重块锚锭在海底不发生位移的观测框架，在该框架上安装集成有传感器，观测仪器，含有独立内嵌式数据通讯接口的数据采集器系统模块，长距离无线声学调治解调器及电池，其特征在于：所述的数据采集器系统模块是与数据通讯系统模块连接的；即数据通讯系统模块中的W78E58B单片机中的8位并行数字接口与数据采集器系统模块中的8位数字模块ADAM5051直接连接；该通讯系统模块将来自该采集器系统模块处理后的观测数据，通过串行接口传输到长距离无线声学调制解调器中，再由该声学调制解调器在水下通过该数据采集器系统模块中的Intel PXA-250 200/400MHz微处理器及其本身所包含的标准串行接口RS232与外接计算机连接，并将该数据传播到远方或水上外接计算机。

2、根据权利要求1所述深海水下长期锚系自动观测装置，其特征在于：所述的数据通讯系统模块是一独立系统，其包括：低功耗的W78E58B单片机，总线扩展芯片74LS373，程序运行监视定时器电路，大容量的数据保存电路和串行口扩展电路，可编程器件EPM7032构成的系统接口协调工作控制电路、驱动电路，将并行输出转换为串行输出的16C550接口芯片；所述的W78E58B单片机通过数据采集器系统模块中的AMI-120数字总线接口和ADAN5051数字并行接口与该系统模块中的Intel PXA-250200/400MHz微处理器连接；该W78E58B单片机还通过MAX232驱动芯片和标准的RS232串行与长距离无线声学调制解调器连接。

3、根据权利要求2所述深海水下长期锚系自动观测装置，其特征在于：所述的程序运行监视定时器电路，其包括：具有通讯协议和数据管理功能程序的W78E58B单片机，该单片机总线上连接有时钟电路DS12887芯片和由兼有看门狗定时器、复位定时器和EEPROM三种功能的x25045芯片。

4、根据权利要求2所述深海水下长期锚系自动观测装置，其特征在于：所述的大容量的数据保存电路，其是由该单片机通过数据储存RAM芯片62256而构成具有数据存储模块的数据保存电路。

5、根据权利要求2所述深海水下长期锚系自动观测装置，其特征在于：所述的串行口扩展电路，其由16C550芯片和EPM7032可编程器件构成，该16C550芯片将8位并行输出转换为串行输出，并通过芯片MAX232提供标准的RS232串行逻辑信号接口与长距离无线声学调治解调器连接。

6、根据权利要求1，5中任一项所述深海水下长期锚系自动观测装置，其特征在于：所述的长距离声学调治解调器，其为双水下声学调治解调器，其中一个声学调制解调器为实现水平方向的无线传输指令和数据的通讯而设置的；另一个声学调制解调器为实现垂直方向的无线传输指令和数据的通讯而设置的。