CN204965085U - 一种海洋资料浮标数据采集控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海洋资料浮标数据采集控制系统，其包括：数据采集器，安装于浮标上，用于获取海洋参数以及浮标位置；数据采集控制器，用于接收数据采集器获取的海洋参数和浮标位置数据，所述数据采集控制器为芯片MSP430；通信模块，用于将海洋参数和浮标位置数据传送给远端的监控终端；所述通信模块的输入端以及数据采集器的输出端分别与芯片MSP430的第一UART口和第二UART口相连；继电器组件，用于控制数据采集控制器以及通信模块的工作与否；供电单元，用于为所述数据采集器、数据采集控制器、通信模块以及继电器组件供电。本实用新型数据采集和处理时间之外均处在超低功耗睡眠模式，采集器自身功耗约为1.2W左右，极大延长了浮标在海洋中的监测时间。

Description

一种海洋资料浮标数据采集控制系统

技术领域

本实用新型属于海洋观测设备技术领域，具体涉及一种海洋资料浮标数据采集控制系统。

背景技术

海洋观测是海洋科学的重要组成部分。通过海洋水文气象的观测,人们能够全面、及时、准确地掌握海洋环境的变化规律以及人类活动对海洋环境的影响,为海洋科学研究、海洋工程建设、海洋资源开发、海洋环境保护、航海安全保证、海洋灾害预防提供了基础资料和科学依据,因而对此的研究有着极为重要的意义。由于海洋环境的高度复杂性，对于观测技术提出了较高的要求。海洋定点锚系资料浮标因为其自动化程度高、可远程监控、连续观测等优点逐渐成为海洋观测的重要手段之一。

我国的海洋资料浮标的研制始于1965在青岛进行的全国海洋仪器大会战，当时研制出了代号为H23的海洋资料浮标原理性样机。1973年研制出了2H23海洋资料浮标并在海上试运行了20天。1976年,海洋资料浮标被列入国家大型关键产品研制计划。1978年底HFB-1型海洋水文气象遥测浮标站(简称I型浮标)研制成功并投入国家海洋局东海分局吕泗海洋站外海150km海域试运行。在这期间，还研制出了科浮1号、南浮1号资料浮标,并在不同海域上进行了试运行。II型浮标的研制始于1986年，现代化海洋资料浮标研制被列入国家“七五”重点科技攻关项目,即大型海洋资料浮标、大型深海海洋资料浮标和小型资料浮标，分别由山东省海洋仪器仪表所、中国科学院海洋研究所和国家海洋技术中心承担。受当时的电子技术发展限制，该系统主控部分采用的是体型比较庞大的PC104单板机等作为浮标系统的自动控制与数据采集的核心。PC104单板机多是功能齐全的一中嵌入式系统，包含包括以太网、音频、触摸屏等多种硬件模块，而大多数这些硬件模块在海洋观测中是用不到的，但这些用不上的硬件模块同样需要消耗电源和占据空间尺寸。以往实验表明，PC104工控机在不挂载传感器的控制状态下功耗达到7W左右，这对以太阳能为唯一能源的海洋观测等苛刻环境来说是很大负担，正常日常情况尚可以维持正常工作，一旦出现台风、暴雨等恶劣天气数据采集器很快就会耗尽电池电量，停止工作。而这些极端海况下的海洋环境参数正式研究人员需要捕捉的。

近年来，随着以Campbell为代表的商业化DataLogger的发展和广范应用，也出现了以CR1000、CR3000等中央控制器的大型海洋资料浮标系统。但是这些产品化控制器数据对华技术垄断，价格昂贵，传感器接口都已定型。而且搭载的操作系统所支持的协议大多数为Campbell公司自己生产的气象水文仪器，不方便用户的扩展和定制化采样需求。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种海洋资料浮标数据采集控制系统，其数据采集控制器采用低功耗电子元器件，数据采集和处理时间之外均处在超低功耗睡眠模式，采集器自身功耗约为1.2W左右，极大延长了浮标在海洋中的监测时间。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种海洋资料浮标数据采集控制系统，其包括：

数据采集器，安装于浮标上，用于获取海洋参数以及浮标位置；

数据采集控制器，用于接收所述数据采集器获取的海洋参数和浮标位置数据，所述数据采集控制器为芯片MSP430；

通信模块，用于将海洋参数和浮标位置数据传送给远端的监控终端；

所述通信模块的输入端以及数据采集器的输出端分别与芯片MSP430的第一UART口和第二UART口相连；

继电器组件，用于控制数据采集控制器以及通信模块的工作与否；

供电单元，用于为所述数据采集器、数据采集控制器、通信模块以及继电器组件供电。

所述数据采集器的输出端与芯片MSP430的第二UART口之间还连接一串口扩展电路，所述数据采集器包括GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪，所述GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪的输出端均通过该串口扩展电路与芯片MSP430的第二UART口相连。

所述继电器组件为六个固态继电器电路，分别对应GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站、温盐深仪以及通信模块，每个固态继电器电路均包括固态继电器本体、第一二极管、第二二极管、第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一电阻和第二电阻，所述固态继电器本体为脉冲固态继电器TQ2-L-12，所述固态继电器本体的两个正输入端以及两个公共端均与供电单元的输出端相连，所述第一NPN三极管的基极通过第一电阻连接至芯片MSP430的其中一I/O口，第一NPN三极管的集电极通过第一二极管连接至供电单元的输出端；所述第二NPN三极管的基极通过第二电阻连接至芯片MSP430的另一I/O口，第二NPN三极管的集电极通过第二二极管连接至供电单元的输出端，所述固态继电器本体的两个负输入端分别连接于第一二极管的正极与第一NPN三极管的集电极之间以及第二二极管的正极与第二NPN三极管的集电极之间；所述第一NPN三极管和第二NPN三极管的发射极均接地；每个固态继电器本体的两个常开端均与该固态继电器本体所在固态继电器电路对应的数据采集器或通信模块的电源端连接。

所述供电单元包括安装于浮标上侧的太阳能板以及安装于浮标舱室内的充电控制器、蓄电池和稳压电路，其中，所述太阳能板的输出端依次通过充电控制器、蓄电池连接至稳压电路。

所述供电单元共输出12V、5V、以及3.3V三种直流电压信号，分别来自蓄电池的输出端、稳压电路的第一输出端以及稳压电路的第二输出端，其中，12V直流电压信号输出给所有固态继电器本体的正输入端、以及与剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站、温盐深仪的电源端分别相连的固态继电器本体的公共端；5V直流电压信号输出给与GPS接收机的电源端相连的固态继电器本体的公共端，3.3V直流电压信号输出给芯片MSP430以及与通信模块的电源端相连的固态继电器本体的公共端。

所述稳压电路包括第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、电源转换模块K7805以及电源转换模块K7803，所述电源转换模块K7805的输入端和输出端分别连接于蓄电池的输出端和电源转换模块K7803的输入端，第一滤波电路连接于电源转换模块K7805的输入端和蓄电池的输出端之间，第二滤波电路连接于电源转换模块K7805的输出端和电源转换模块K7803的输入端之间，电源转换模块K7805的输出端经第二滤波电路后形成稳压电路的第一输出端，电源转换模块K7803的输出端经第三滤波电路后形成稳压电路的第二输出端。

所述串口扩展电路为扩展芯片GM8125。

所述GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪分别为TX-GPS模块、NortekAqua剖面流速仪、AXYSTriaxys波浪传感器、VisalaWXT-520自动气象站、以及JFEACTW-CAR温盐深仪。

所述海洋资料浮标数据采集控制系统进一步包括漏水检测电路、舱门检测电路以及锚灯检测电路，所述漏水检测电路包括安装于浮标舱室内底部的漏水电极，所述漏水电极的正、负极分别连接于芯片MSP430的其中一输入端和输出端，所述芯片MSP430的其中一输入端始终处于高电平，在与漏水电极的负极相连的芯片MSP430的输出端输出高电平时则浮标舱门漏水，所述舱门检测电路为安装于舱门闭合处的接近开关，所述接近开关的输出端连接于芯片MSP430的另一输入端；所述锚灯检测电路包括光电耦合器件，锚灯的输出端连接于所述光电耦合器件的光输入端，光电耦合器件的电输出端连接于芯片MSP430的又一输入端。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、数据采集控制器采用低功耗电子元器件，数据采集和处理时间之外均处在超低功耗睡眠模式，数据采集控制器自身功耗约为1.2W左右，极大延长了浮标在海洋中的监测时间；

2、数据采集控制器硬件模块化设计方便接口扩展，最多可扩展为16个串口，搭载16台串口仪器。

3、使用方便，通过芯片MSP430和无线发送的通信模块实现全自动无人值守的数据采集、存储、处理和发送。

附图说明

图1为本实用新型一种海洋资料浮标数据采集控制系统的结构框图；

图2为芯片MSP430的电路原理图；

图3为固态继电器电路的电路原理图；

图4为稳压电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

实施例

请参照图1所示，一种海洋资料浮标数据采集控制系统，其包括：数据采集器、数据采集控制器、通信模块、继电器组件以及供电单元。其中，数据采集器安装于浮标上，用于获取海洋参数以及浮标位置；数据采集控制器用于接收数据采集器获取的海洋参数和浮标位置数据；通信模块用于将数据采集控制器接收的海洋参数和浮标位置数据传送给远端的监控终端；供电单元用于为数据采集器、数据采集控制器以及通信模块供电；通过数据采集控制器控制其连接于供电单元与数据采集器和通信模块之间的电连接，从而实现控制数据采集控制器以及通信模块的工作与否，进而实现控制数据采集控制器与数据采集器之间以及数据采集控制器与通信模块之间的连接通断。

请参照图2所示，数据采集控制器为TI公司16位混合信号处理器芯片MSP430为主控芯片的接口可扩展、参数可定制的数据采集中央控制器。

芯片MSP430为现代化MCU，其运行速度远远超过以往浮标用的单板机，经扩展后可以实现搭载多达16台串口海洋仪器。该芯片MSP430的杰出特点是低电压、超低功耗，适用于对能耗要求比较苛刻的野外观测场合。丰富的片上功能包括：60KB+256字节Flash，2KBRAM，基本时钟模块、看门狗定时器、带3个捕获/比较寄存去和PWM输出的16为定时器、带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器、2个具有中断功能的8位并行端口、4个8位的并行端口、模拟比较器、12位A/D转换器、2个串行通信接口等。可对ADP剖面海流传感器、CTD、YSI等传感器完成最高1分钟/组的高频采样，对AXYS波浪传感器20分钟/组的常规采样，自动气象站3分钟/组或1分钟/组的高频采样。观测数据可以通过VHF、GPRS/CDMA、卫星等无线传输手段发送到远程数据中心，可实现实时海洋环境观测、历史观测数据回放、各种参数报表的生成等功能，整套系统完全实现自动化远程监控。开发过程中为方便调试和降低焊接过程中对价格相对昂贵的芯片MSP430的损坏，为其专门设计一个转接板。转接板将芯片MSP430的64引脚全部引出到双排插，方便插拔。

时钟芯片提供的时间作为芯片MSP430的触发器，选用型号DS17887-3，其内含备份电池，断电后仍可长时间保存时间日历信息。芯片MSP430的P4口连接时钟芯片的地址和数据线，P1.1-P1.4连接时钟的控制信号，P1.0连接时钟中断输出。当指定的定时时间到时钟输出上升沿中断到芯片MSP430，P1.0口检测到中断之后即进入相应的时间处理中断，打开对应连接仪器的串口和电源，进行采样和数据梳理。

选取SDV600的SD卡模块作为存储介质，SDV600模块含文件系统可支持FAT32，NTFS。芯片MSP430通过P5.3-P5.4两根控制信号和扩展子串口5的串口命令，对SD卡模块进行相应的操作。

芯片MSP430片上自带2路UART口，通信模块的输入端以及数据采集器的输出端分别与芯片MSP430的UART0口和UART1口相连。由于数据采集器包括GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪五种设备，因此2路UART口不能满足多参数浮标上搭载的多型传感器。根据需求将对UART1(对应芯片MSP430上的P3.5URXD0)使用GM8125扩展芯片作为串口扩展电路进行扩展。芯片MSP430的P6.0-P6.5连接GM8125的地址片选信号，比如：在是当的时间当P6.0＝1P6.1＝0P6.2＝0P6.3＝1P6.4＝0P6.5＝0时子串口所挂载的数据采集器和UART1连接，芯片MSP430此时可以对ADP进行采样。扩展后的串口总量可达6个，可挂载ADP、波浪传感器、CTD、Gill气象站、GPS和通信模块等。GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪分别采用的型号为TX-GPS模块、NortekAqua剖面流速仪、AXYSTriaxys波浪传感器、VisalaWXT-520自动气象站、以及JFEACTW-CAR温盐深仪。通信模块为GPRS/CDMA通信模块。

数据采集控制器通过实时时钟的时间为采样触发，以固定的采样频率逐次加电、采集和断电每个传感器。数据采集器和通信模块的开关电路分别使用一个固态继电器电路完成，继电器组件为六个固态继电器电路，分别对应GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站、温盐深仪以及通信模块，请参照图3所示，以控制GPS接收机的固态继电器电路为例，该固态继电器电路包括固态继电器本体TQ2、二极管N3、二极管N4、三极管NPN3、NPN三极管NPN4、电阻R3和电阻R4，固态继电器本体为脉冲固态继电器TQ2-L-12，固态继电器本体的两个正输入端(+端)以及两个公共端(COM端)均与供电单元的输出端相连，三极管NPN3的基极通过电阻R3连接至芯片MSP430的P2.0端口(I/O口)，三极管NPN3的集电极通过二极管N3连接至供电单元的输出端；三极管NPN4的基极通过电阻R4连接至芯片MSP430的P2.1端口(另一I/O口)，三极管NPN4的集电极通过二极管N4连接至供电单元的输出端，固态继电器本体的两个负输入端(-端)分别连接于二极管N3的正极与三极管NPN3的集电极之间以及二极管N4的正极与三极管NPN4的集电极之间；三极管NPN3和三极管NPN4的发射极均接地；每个固态继电器本体的两个常开端(NO端)均与该固态继电器本体所在固态继电器电路对应的GPS接收机的电源端连接，每个固态继电器本体的两个常闭端(NC端)悬空。当P2.0口有高电平脉冲发生，三极管NPN3的基极被输入高电平时饱和导通，固态继电器本体TQ2触电吸附，使COM端与NO端连接，此时，COM端通过NO端为GPS接收机供电，GPS接收机通电向芯片MSP430发送信号。当P2.1口有高电平脉冲发生，三极管NPN4的基极被输入高电平时饱和导通，继电器通电触电吸附，使COM端与NC端连接，GPS接收机断电。其它数据采集器以及通信模块的工作原理与之相似(对COM端的电压即相应的数据采集器或通信模块的供电电压要求不同而已)。

供电单元包括安装于浮标上侧的太阳能板以及安装于浮标舱室内的充电控制器、蓄电池和稳压电路，其中，太阳能板的输出端依次通过充电控制器、蓄电池连接至稳压电路。供电单元共输出12V、5V、以及3.3V三种直流电压信号，分别来自蓄电池的输出端、稳压电路的第一输出端以及稳压电路的第二输出端，其中，12V直流电压信号输出给所有固态继电器本体的正输入端、以及与剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站、温盐深仪的电源端分别相连的固态继电器本体的公共端；5V直流电压信号输出给与GPS接收机的电源端相连的固态继电器本体的公共端，3.3V直流电压信号输出给芯片MSP430以及与通信模块的电源端相连的固态继电器本体的公共端。

请参照图4所示，稳压电路包括第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、电源转换模块K7805以及电源转换模块K7803，电源转换模块K7805的输入端和输出端分别连接于蓄电池的输出端和电源转换模块K7803的输入端，第一滤波电路连接于电源转换模块K7805的输入端和蓄电池的输出端之间，第二滤波电路连接于电源转换模块K7805的输出端和电源转换模块K7803的输入端之间，电源转换模块K7805的输出端经第二滤波电路后形成稳压电路的第一输出端(+5V)，电源转换模块K7803的输出端经第三滤波电路后形成稳压电路的第二输出端VCC。

第一滤波电路包括电解电容C19和电容C20，第二滤波电路包括电容C21、电解电容C22以及电容C23，第三滤波电路包括电容C24和电容C25，其中，电解电容C19的正极和电容C20的一端均连接于电源转换模块K7805的输入端和蓄电池的输出端之间；电容C21的一端、电解电容C22的正极以及电容C23的一端均连接于电源转换模块K7805的输出端和电源转换模块K7803的输入端之间，电容C24和电容C25的一端均连接至电源转换模块K7803的输出端和稳压电路的第二输出端VCC之间，这些滤波电路中的电容的负极或者另一端均接地。

为检测浮标舱内是否漏水，在浮标底部4个位置分别安装4个漏水电极，检测原理为：芯片MSP430的P5.6和P5.7分别连接漏水电极的正负极，系统运行过程中始终置位P5.6为高电平，每半小时读取一次P5.7电平值。如果发生漏水，则P5.7为高电平。为检测浮标舱门的打开状态，在舱门闭合处安装接近开关，当舱门为闭合时接近开关一直输出低电平，一旦舱门打开接近开关输出高电平，通过读取P1.2口电平判断打开状态。锚灯正常工作时候，会向控制器输出闪烁脉冲，通过P1.1口的脉冲计数器可判断锚灯的工作状态，如果读取的脉冲计数次数为零，则认为锚灯未工作。采用光电耦合器件TLP521将锚灯的脉冲信号与芯片MSP430的P1.1口隔离开，提高对系统的保护性。

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，其包括：

数据采集器，安装于浮标上，用于获取海洋参数以及浮标位置；

数据采集控制器，用于接收所述数据采集器获取的海洋参数和浮标位置数据，所述数据采集控制器为芯片MSP430；

通信模块，用于将海洋参数和浮标位置数据传送给远端的监控终端；

所述通信模块的输入端以及数据采集器的输出端分别与芯片MSP430的第一UART口和第二UART口相连；

继电器组件，用于控制数据采集控制器以及通信模块的工作与否；

供电单元，用于为所述数据采集器、数据采集控制器、通信模块以及继电器组件供电。

2.根据权利要求1所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述数据采集器的输出端与芯片MSP430的第二UART口之间还连接一串口扩展电路，所述数据采集器包括GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪，所述GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪的输出端均通过该串口扩展电路与芯片MSP430的第二UART口相连。

3.根据权利要求2所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述继电器组件为六个固态继电器电路，分别对应GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站、温盐深仪以及通信模块，每个固态继电器电路均包括固态继电器本体、第一二极管、第二二极管、第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一电阻和第二电阻，所述固态继电器本体为脉冲固态继电器TQ2-L-12，所述固态继电器本体的两个正输入端以及两个公共端均与供电单元的输出端相连，所述第一NPN三极管的基极通过第一电阻连接至芯片MSP430的其中一I/O口，第一NPN三极管的集电极通过第一二极管连接至供电单元的输出端；所述第二NPN三极管的基极通过第二电阻连接至芯片MSP430的另一I/O口，第二NPN三极管的集电极通过第二二极管连接至供电单元的输出端，所述固态继电器本体的两个负输入端分别连接于第一二极管的正极与第一NPN三极管的集电极之间以及第二二极管的正极与第二NPN三极管的集电极之间；所述第一NPN三极管和第二NPN三极管的发射极均接地；每个固态继电器本体的两个常开端均与该固态继电器本体所在固态继电器电路对应的数据采集器或通信模块的电源端连接。

4.根据权利要求3所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述供电单元包括安装于浮标上侧的太阳能板以及安装于浮标舱室内的充电控制器、蓄电池和稳压电路，其中，所述太阳能板的输出端依次通过充电控制器、蓄电池连接至稳压电路。

5.根据权利要求4所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述供电单元共输出12V、5V、以及3.3V三种直流电压信号，分别来自蓄电池的输出端、稳压电路的第一输出端以及稳压电路的第二输出端，其中，12V直流电压信号输出给所有固态继电器本体的正输入端，以及与剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站、温盐深仪的电源端分别相连的固态继电器本体的公共端；5V直流电压信号输出给与GPS接收机的电源端相连的固态继电器本体的公共端，3.3V直流电压信号输出给芯片MSP430以及与通信模块的电源端相连的固态继电器本体的公共端。

6.根据权利要求5所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述稳压电路包括第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、电源转换模块K7805以及电源转换模块K7803，所述电源转换模块K7805的输入端和输出端分别连接于蓄电池的输出端和电源转换模块K7803的输入端，第一滤波电路连接于电源转换模块K7805的输入端和蓄电池的输出端之间，第二滤波电路连接于电源转换模块K7805的输出端和电源转换模块K7803的输入端之间，电源转换模块K7805的输出端经第二滤波电路后形成稳压电路的第一输出端，电源转换模块K7803的输出端经第三滤波电路后形成稳压电路的第二输出端。

7.根据权利要求2所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述串口扩展电路为扩展芯片GM8125。

8.根据权利要求2所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述GPS接收机、剖面流速仪、波浪传感器、自动气象站以及温盐深仪分别为TX-GPS模块、NortekAqua剖面流速仪、AXYSTriaxys波浪传感器、VisalaWXT-520自动气象站、以及JFEACTW-CAR温盐深仪。

9.根据权利要求1-8任一项所述的海洋资料浮标数据采集控制系统，其特征在于，所述海洋资料浮标数据采集控制系统进一步包括漏水检测电路、舱门检测电路以及锚灯检测电路，所述漏水检测电路包括安装于浮标舱室内底部的漏水电极，所述漏水电极的正、负极分别连接于芯片MSP430的其中一输入端和输出端，所述芯片MSP430的其中一输入端始终处于高电平，在与漏水电极的负极相连的芯片MSP430的输出端输出高电平时则浮标舱门漏水，所述舱门检测电路为安装于舱门闭合处的接近开关，所述接近开关的输出端连接于芯片MSP430的另一输入端；所述锚灯检测电路包括光电耦合器件，锚灯的输出端连接于所述光电耦合器件的光输入端，光电耦合器件的电输出端连接于芯片MSP430的又一输入端。