CN203502404U - 一种海洋水质监测数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种海洋水质监测数据采集系统，包括岸上监测控制中心和至少一个现场水质监测装置；所述现场水质监测装置包括水下数据采集终端和船载数据采集终端；所述水下数据采集终端包括舱内/舱外传感器单元、水下数据采集模块和水下信号传输模块；所述船载数据采集终端接收水下数据采集终端传送的监测数据并通过无线网络上传至岸上监测控制中心。该系统不仅可以对不同海域的不同深度的不同海水参数进行实时采集，而且还可以对仪器舱的密闭性进行实时监测，通过组网可以将监测数据和定位信息及时地上传至远程的岸上监测控制中心，实现了岸上监测人员对不同海域不同深度的海洋水质的实时监测，增强了对海洋生态环境的监测和预警能力。
Description
技术领域
本实用新型属于海洋环境监测技术领域，具体地说，是涉及一种用于监测海洋生态环境中海水水质的监测数据采集系统。
背景技术
海洋水质环境监测在开发海洋资源、预警海洋水质灾害、保护海洋水质环境等方面都有着重大意义。
目前，我国的海洋水质监测数据采集系统仍然存在很多问题：一是各级水质监测中心的采样能力不足，监测效率低，水质监测实验室的监测仪器设备老化，大型分析仪器配备不平衡；二是机动监测能力不足，移动水质分析监测实验室配备数量太少，现场监测能力低；三是自动水质监测站数量较少，缺乏自动测报的能力；四是仅限于海洋表面的水质监测，对一定深度的海水缺乏监测手段。
发明内容
本实用新型针对传统海洋水质监测数据采集系统监测能力不足、缺乏自动测报能力并仅限于对海洋表面的水质进行监测的问题，提出了一种基于无线网络的海洋水质监测数据采集系统，实现了对不同海域一定深度的海洋水质的实时监测，增强了对海洋生态环境的监测和预警能力。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种海洋水质监测数据采集系统，包括岸上监测控制中心和至少一个现场水质监测装置；所述现场水质监测装置包括水下数据采集终端和船载数据采集终端；所述水下数据采集终端包括内置于水下机器人仪器舱中的舱内传感器单元、水下数据采集模块和水下信号传输模块，以及外置于水下机器人仪器舱的舱外传感器单元；所述水下数据采集模块接收舱外传感器单元采样输出的海洋水质监测信号和舱内传感器单元采样输出的舱内环境监测信号，并通过水下信号传输模块与船载数据采集终端连接通信，上传监测数据并接收船载数据采集终端下发的用于控制水下机器人上升或者下潜的控制指令；所述船载数据采集终端设置于船载控制箱内，包括船载数据采集模块和无线通信模块； 所述船载数据采集模块通过无线通信模块与岸上监测控制中心建立无线通信链接，上传监测数据。
为了满足水下数据采集模块对监测信号的准确接收要求，在所述水下数据采集模块中设置有控制器、信号调理放大电路和AD转换电路，所述信号调理放大电路接收舱外传感器单元输出的海洋水质监测信号，并进行调理放大处理后，输出至AD转换电路将模拟信号转换成相应的数字信号输出至所述的控制器；所述控制器接收舱内传感器单元输出的舱内环境监测信号，并通过水下信号传输模块将接收到的全部监测信号上传至船载数据采集终端。
进一步的，在所述信号调理放大电路中设置有前置放大电路和低通滤波电路，所述前置放大电路接收舱外传感器单元输出的海洋水质监测信号并进行前置放大处理后，输出至低通滤波电路进行滤波处理，通过低通滤波电路输出至所述的AD转换电路。
优选的，在所述水下信号传输模块中设置有串口通信芯片，连接所述的控制器，并通过防水电缆连接船载数据采集终端。
作为所述水下数据采集终端的一种优选供电方式，在所述的水下数据采集终端中还设置有稳压电路，通过内置于防水电缆中的电源线缆连接船载电源，接收船载电源的直流供电并转换成水下数据采集终端中各用电负载所需的工作电源，输出至水下数据采集终端中的各个用电负载，利用船载电源为水下数据采集终端供电。
为了实现对海洋水质的多参数监测以及对舱内温度、湿度、照度和机器人本体加速度信息的实时监测，在所述的舱外传感器单元中优选设置温盐度传感器、氨氮传感器、PH值传感器、压力传感器和水中原油传感器；在所述的舱内传感器单元中优选设置温度传感器、湿度传感器和三轴加速度传感器。
作为所述船载数据采集模块的一种优选电路设计方案，在所述船载数据采集模块中设置有处理器、串口通信芯片和船载显示模块；所述处理器通过串口通信芯片连接水下数据采集终端和无线通信模块，将水下数据采集终端上传的监测数据传输至数据显示模块进行显示，并通过无线通信模块发送至岸上监测控制中心。
为了满足无线通信的实时性要求，在所述的无线通信模块中优选设置GPRS通信模块和北斗通信模块，所述处理器在GPRS网络正常时，启动GPRS通信模块与岸上监测控制中心进行数据交互，上传监测数据和定位信息；在GPRS网络异常时，通过岸上监测控制中心启动北斗通信模块与所述的处理器进行数据通信，确保现场水质监测装置能够不间断地向岸上监测控制中心反馈监测数据，满足监测人员对海洋环境的连续监测需求。
为了满足不同海域的水质监测要求，所述现场水质监测装置优选设置多个，分布在不同的监测海域，分别对不同海域的水质参数进行检测；所述舱外传感器单元优选安装在水下机器人本体的下支架上。
优选的，在所述岸上监测控制中心中设置有依次连接的网络服务器、数据服务器、应用服务器和监控计算机；网络服务器通过互联网接收现场水质监测装置上传的监测数据，输送至数据服务器进行保存，并通过应用服务器进行解密和分析处理后，发送至监控计算机提供给监测人员进行观测。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的海洋水质监测数据采集系统不仅可以对不同海域的不同深度的不同海水参数进行实时采集，而且还可以对仪器舱的密闭性进行实时监测，通过采用组网的方式，可以将监测数据和定位信息通过无线网络及时地上传至远程的岸上监测控制中心，实现了岸上监测人员对不同海域不同深度的海洋水质的实时监测，增强了对海洋生态环境的监测和预警能力。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的海洋水质监测数据采集系统的一种实施例的整体架构示意图；
图2是图1中水下数据采集终端的一种实施例的电路原理框图；
图3是图1中船载数据采集终端的一种实施例的电路原理框图；
图4是基于GPRS网络的系统架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
实施例一，本实施例的海洋水质监测数据采集系统主要由岸上监测控制中心和至少一个现场水质监测装置组成。在所述的现场水质监测装置中主要包括水下数据采集终端和船载数据采集终端两部分，参见图1所示。其中，水下数据采集终端用于检测待测海域的海水水质参数以及水下机器人的仪器舱内环境状况，主要包括舱外传感器单元、舱内传感器单元、水下数据采集模块和水下信号传输模块。具体来讲，将所述舱外传感器单元置于水下机器人的仪器舱外部，具体可以安装在水下机器人本体的下支架上，用于对被测海域预定深度的水质参数进行采样检测。将舱内传感器单元、水下数据采集模块和水下信号传输模块内置于水下机器人的仪器舱中，利用舱内传感器单元检测仪器舱的密闭情况。将舱外传感器单元采样输出的海洋水质监测信号和舱内传感器单元采样输出的舱内环境监测信号分别传输至水下数据采集模块，通过水下数据采集模块对监测信号进行转换处理后，生成监测数据经由水下信号传输模块上传至船载数据采集终端。
所述船载数据采集终端优选安装在船载控制箱的内部，主要包括船载数据采集模块和无线通信模块，参见图1所示。其中，所述船载数据采集模块通过防水线缆与水下数据采集终端连接通信，一方面发送控制指令至水下数据采集模块，通过水下数据采集模块控制水下机器人进行上升或者下潜运动，以到达待测深度的海域，实现对该深度海水的水质监测；另一方面，将水下数据采集终端上传的监测数据传输至无线通信模块，通过无线通信模块与岸上监测控制中心建立无线通信链接，上传监测数据，供监测人员观测。
所述的岸上监测控制中心可以设置于海岸或者内陆，通过无线网络与位于不同海域的现场水质监测装置进行无线通信，以接收现场水质监测装置上传的监测数据和定位信息，并进行解码和分析处理后，提供给监测人员实现对不同海域生态环境状态的实时监测。同时，监测人员还可以通过岸上监测控制中心实现对现场水质监测装置的远程控制。
下面结合图2-图4对本实施例的水下数据采集终端、船载数据采集终端和岸上监测控制中心的具体组建结构分别进行详细地阐述。
参见图2所示，本实施例的水下数据采集终端为了实现对海洋水质多种参数的检测，在其舱外传感器单元中设置了温盐度传感器、氨氮传感器、PH值传感器、压力传感器和水中原油传感器等，分别用于对海水的温度、盐度、溶解氧含量、PH值和水中原油含量进行检测。压力传感器用于监测水下机器人的下潜深度，实现对预定深度的水质参数的采样监测。通过各类传感器检测输出的采样监测信号通过防水电缆传输至位于水下机器人仪器舱内的水下数据采集模块。在所述舱外传感器单元中同时预留扩展口，方便增加其他类型的传感器。
在所述水下数据采集模块中设置有控制器、信号调理放大电路和AD转换电路，参见图2所示。所述信号调理放大电路优先采用低噪声、高精度的电路设计，能够有效地采集舱外传感器单元输出的微小信号。所述信号调理放大电路包括前置放大电路和低通滤波电路，将采集到的舱外传感器单元的微弱信号传输到前置放大电路进行前置放大，所述前置放大电路采用低噪声设计，在增加信号驱动的同时防止信号变差，放大后的信号经过所述低通滤波电路传输到AD 转换电路，通过AD转换电路将传感器监测输出的模拟信号转换成相应的数字信号输出至控制器。
所述控制器作为水下数据采集终端的核心单元，控制着整个水下数据采集终端的工作状态。本实例中优先采用低功耗的单片机对整个水下数据采集终端的工作状态进行统一控制。在水下数据采集终端上电启动时，控制器首先检测水下数据采集终端中其他功能单元的运行状态，在各功能单元均无故障时，启动水下信号传输模块，与船载数据采集终端建立通信链接，以进行信息交互。
在本实施例中，将所述控制器连接舱内传感器单元，所述舱内传感器单元中优选设置温度传感器、湿度传感器和三轴加速度传感器，分别用于对水下机器人仪器舱内的温度、湿度以及加速度进行监测，并生成监测信号传输至控制器。
将所述控制器连接水下信号传输模块，通过水下信号传输模块连接防水线缆（优选使用铠装的脐带电缆），进而与船载数据采集终端连接通信。
作为本实施例的一种优选设计方案，所述水下传输模块优选采用具有良好抗噪声、抗干扰性的RS485串口通信芯片设计实现，采用RS485串行通信技术实现水下数据采集模块与船载数据采集模块之间的通信。
为了对采集到海洋水质监测数据和舱内环境监测数据进行保存，本实施例在所述的水下数据采集模块中还设置了存储单元，参见图2所示，连接所述的控制器，对控制器处理输出的监测数据以及监测发生的时间数据进行关联保存。
对于水下数据采集终端中各用电负载所需的工作电源，优选通过船载电源提供，并经由设置在水下数据采集模块中的稳压电路转换生成，参见图2所示。在水下数据采集模块中设置一稳压电路，通过防水线缆中的电源线缆连接船载电源，接收船载电源输出的直流供电。在所述稳压电路中优选设置有DC-DC电压转换电路和低压差线性稳压器，通过两级稳压为水下数据采集终端中的各用电负载提供稳定的工作电源。
图3为船载数据采集终端的电路组建原理框图，包括船载数据采集模块和无线通信模块两大部分。其中，处理器作为船载数据采集模块的核心单元，控制着整个现场水质监测装置的工作状态，本实例中优先采用低功耗的单片机对整个现场水质监测装置的工作状态进行统一控制。在现场水质监测装置上电启动时，处理器首先检测整个现场水质监测装置中其他功能单元的运行状态，并在各功能单元均无故障时，启动无线通信模块，与远程的岸上监测控制中心建立无线通信链接，以进行信息交互。
出于所述处理器与水下信号传输模块之间接口电平匹配方面的考虑，本实施例在所述船载数据采集模块中同样设置了RS485串口通信芯片，连接所述的处理器，以满足船载数据采集模块与水下数据采集模块之间的接口通信要求。
考虑到船载数据采集模块中的处理器与无线通信模块之间接口电平匹配方面的问题，本实施例在所述船载数据采集模块中还设置了RS232串口通信芯片，如图3所示，连接在所述的处理器与无线通信模块之间，以RS232串口通信方式实现处理器与无线通信模块之间的数据通信。
在本实施例中，所有的串口通信芯片在没有串口设备连接时，自动进入休眠模式，以有效降低电源消耗。
在所述船载数据采集模块中还设置有存储单元，连接所述的处理器，将处理器接收到的水下数据采集终端传送的监测数据存储在所述的存储单元中，并将监测数据和定位信息进行打包和加密处理，然后通过无线通信模块发送到远程的岸上监测控制中心。在现场水质监测装置不需要对海洋状态进行监测时，船载数据采集模块中的处理器自动控制船载数据采集终端和水下数据采集终端中的各功能单元进入休眠模式，以节省电能消耗。
为了使船上的工作人员也能观测到海洋的水质情况以及仪器舱的密闭情况，本实施例在所述的船载数据采集模块中还设置了数据显示模块，连接所述的处理器，参见图3所示，对水下数据采集终端传送上来的监测数据进行实时显示。
对于船载数据采集终端所需的工作电源，同样采用船载电源输出提供，经由铠装的脐带电缆传送至船载数据采集模块中的稳压电路，进而经由稳压电路转换成稳定的工作电源，为船载数据采集终端中的各用电负载供电。
在本实施例中，所述无线通信模块优选兼容GPRS和北斗两种无线通信网络，结合图1、图3所示。北斗通信模块提供北斗定位信息，并且与GPRS通信模块互为备份。
在GPRS网络正常期间，GPRS通信模块利用移动公网的GPRS网络，建立现场水质监测装置与岸上监测控制中心之间的无线通信链路；在GPRS网络发生故障时，岸上监测控制中心启动北斗通信模块，利用北斗卫星建立岸上监测控制中心与现场水质监测装置之间的无线通信链路。
在所述岸上监测控制中心也设置有北斗通信模块，参见图1所示。岸上监测控制中心在等待设定的时间内，若始终没有接收到现场水质监测装置上传的监测数据，则启动北斗通信模块与现场水质监测装置中的北斗通信模块建立通信，启动北斗通信模块进行通信模式的切换。
对于岸上监测控制中心来说，本实施例采用网络服务器、数据服务器、应用服务器和监控计算机组建而成，参见图4所示。当船载数据采集终端通过GPRS网络与所述的岸上监测控制中心进行通信时，船载数据采集终端中的GPRS通信模块将获取到的监测数据通过通信基站发送到移动公网，经由GPRS服务支持节点（SGSN）连接网关GPRS支持节点（GGSN），进而通过网关GPRS支持节点（GGSN）发送到互联网上。在所述岸上监测控制中心，网络服务器通过互联网接收船载数据采集终端上传的监测数据，输出至数据服务器进行保存，并通过应用服务软件进行解密和分析处理后，发送至监控计算机提供给监测人员进行观测，同时完成对现场水质监测装置的控制以及异常情况报警等任务。
本实施例的岸上监测控制中心服务器端，采用ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line ，非对称数字用户环路）的动态公网IP和动态域名解析软件，在本实例中优选花生壳动态域名解析软件。
显然，由于结构相似的缘故，本实用新型的海洋水质监测数据采集系统还可以推广应用到湖泊、江河、水库等其它需要进行水质监测的领域中。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：包括岸上监测控制中心和至少一个现场水质监测装置；所述现场水质监测装置包括水下数据采集终端和船载数据采集终端；
所述水下数据采集终端包括内置于水下机器人仪器舱中的舱内传感器单元、水下数据采集模块和水下信号传输模块，以及外置于水下机器人仪器舱的舱外传感器单元；所述水下数据采集模块接收舱外传感器单元采样输出的海洋水质监测信号和舱内传感器单元采样输出的舱内环境监测信号，并通过水下信号传输模块与船载数据采集终端连接通信，上传监测数据并接收船载数据采集终端下发的用于控制水下机器人上升或者下潜的控制指令；
所述船载数据采集终端设置于船载控制箱内，包括船载数据采集模块和无线通信模块； 所述船载数据采集模块通过无线通信模块与岸上监测控制中心建立无线通信链接，上传监测数据。
2.根据权利要求1所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述水下数据采集模块中设置有控制器、信号调理放大电路和AD转换电路，所述信号调理放大电路接收舱外传感器单元输出的海洋水质监测信号，并进行调理放大处理后，输出至AD转换电路将模拟信号转换成相应的数字信号输出至所述的控制器；所述控制器接收舱内传感器单元输出的舱内环境监测信号，并通过水下信号传输模块将接收到的全部监测信号上传至船载数据采集终端。
3.根据权利要求2所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述信号调理放大电路中设置有前置放大电路和低通滤波电路，所述前置放大电路接收舱外传感器单元输出的海洋水质监测信号并进行前置放大处理后，输出至低通滤波电路进行滤波处理，通过低通滤波电路输出至所述的AD转换电路。
4.根据权利要求2所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述水下信号传输模块中设置有串口通信芯片，连接所述的控制器，并通过防水电缆连接船载数据采集终端。
5.根据权利要求4所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述的水下数据采集终端中还设置有稳压电路，通过内置于防水电缆中的电源线缆连接船载电源，接收船载电源的直流供电并转换成水下数据采集终端中各用电负载所需的工作电源，输出至水下数据采集终端中的各个用电负载。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述的舱外传感器单元中设置有温盐度传感器、氨氮传感器、PH值传感器、压力传感器和水中原油传感器；在所述的舱内传感器单元中设置有温度传感器、湿度传感器和三轴加速度传感器。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述船载数据采集模块中设置有处理器、串口通信芯片和船载显示模块；所述处理器通过串口通信芯片连接水下数据采集终端和无线通信模块，将水下数据采集终端上传的监测数据传输至数据显示模块进行显示，并通过无线通信模块发送至岸上监测控制中心。
8.根据权利要求7所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述的无线通信模块中设置有GPRS通信模块和北斗通信模块，所述处理器在GPRS网络正常时，启动GPRS通信模块与岸上监测控制中心进行数据交互，上传监测数据和定位信息；在GPRS网络异常时，通过岸上监测控制中心启动北斗通信模块与所述的处理器进行数据通信。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：所述现场水质监测装置设置有多个，分布在不同的监测海域；所述舱外传感器单元安装在水下机器人本体的下支架上。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的海洋水质监测数据采集系统，其特征在于：在所述岸上监测控制中心中设置有依次连接的网络服务器、数据服务器、应用服务器和监控计算机；网络服务器通过互联网接收现场水质监测装置上传的监测数据，输送至数据服务器进行保存，并通过应用服务器进行解密和分析处理后，发送至监控计算机提供给监测人员进行观测。
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