CN205292983U

CN205292983U - 一种小型海况监测浮标

Info

Publication number: CN205292983U
Application number: CN201620051242.8U
Authority: CN
Inventors: 王文宗; 王国宇; 张林强; 于文浩; 王鹏宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2026-01-19

Abstract

本实用新型涉及海洋科学研究领域，尤其涉及一种小型海况监测浮标。它包括浮体及装在浮体顶面的标架，标架顶部设有与其垂直的环形防护架，环形防护架的外边缘凸出于太阳能板的外边缘；环形防护架上安装有风速传感器、风向传感器、GPS天线、数字罗盘和数据传输天线；标架中部内侧设有安装板，其上安装有设备盒，设备盒内设有第一单片机，风速传感器、风向传感器、GPS天线和数字罗盘与单片机连接，单片机通过CAN总线与数据传输天线连接，数据传输天线与岸机通信模块无线连接。本实用新型通过设置环形防护架，可充分保护太阳能板，防止被碰坏。同时，采用分布式的数据采集结构，通过CAN总线将数据分步传输给岸机，实现了数据的精准传输。

Description

一种小型海况监测浮标

技术领域

本实用新型涉及海洋科学研究领域，尤其涉及一种小型海况监测浮标。

背景技术

浮标，指浮于水面的一种航标，是锚定在指定位置，用以标示航道范围、指示浅滩、碍航物或表示专门用途的水面助航标志。海洋浮标是海洋环境自动观测平台，是现代海洋环境立体监测系统的重要组成部分。它具有自动、长期、连续收集海洋环境资料的能力，即使在恶劣环境，在其他现场监测手段都难以或无法实施监测的时候，海洋浮标仍能有效工作。

伴随着海洋开发的不断深入，越来越多的试验需要在真实海洋环境下进行，当前我国所用的浮标以中大型浮标为主，造价较为昂贵，对资金不太充足的小项目或小型试验并不适合，并且大型浮标运输投放都需要较多的人力和物力。供电模式方面，目前的大部分小型浮标以一次性锂－锰干电池或碱性电池供电，续航能力有限。也有些浮标安装了太阳能板，利用太阳能供电，由于太阳能板倾斜安装，其外缘突出，容易被碰撞，一旦碰坏将影响浮标的供电系统进而导致浮标失去效力。另外，现有浮标安装的数据采集装置类型有限，不能实现海洋状况的多类型检测，同时，这些采集模块集中设置，导致数据传输速度受限。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种体积小、方便运输、投放和回收的小型海况监测浮标，能够进行多种海洋要素采集，为近海试验提供有用数据，并具有远距离数据传输能力。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种小型海况监测浮标，包括浮体及装在浮体顶面的标架，所述的标架为多棱锥形，标架中部至少一个侧面上设有太阳能板支架，太阳能板支架上装有太阳能板；标架顶部设有与其垂直的环形防护架，环形防护架的外边缘凸出于太阳能板的外边缘；环形防护架上安装有风速传感器、风向传感器、GPS天线、数字罗盘和数据传输天线；标架中部内侧设有安装板，其上安装有设备盒，设备盒内设有第一单片机，风速传感器、风向传感器、GPS天线和数字罗盘与单片机连接，单片机通过CAN总线与数据传输天线连接，数据传输天线与岸机通信模块无线连接。

本实用新型通过在标架顶部设置环形防护架，既能利用环形防护架凸出的外围阻挡其他物体的靠近，防止碰撞太阳能板，还能将环形防护架作为各类仪器仪表的安装架，安装牢固可靠。

本实用新型的风速传感器用来测量风速。由于风速传感器输出信号的频率在1KHz以下，可以采用单片机的输入捕捉来测量风速信号的频率。每当风速传感器输出的频率信号上升沿到来时单片机的输入捕捉就会产生中断，此时记下定时器中的数值，通过两次中断记下的两个数值和定时器周期，可以获得风速信号的频率值。再计算风速，即V＝(0.3+0.0877×f)，其中V为风速(m/s)，f为信号频率，0.3和0.0877为系数(不同型号的风速传感器的系数不一样)。

本实用新型利用风向传感器测得风向相对于浮标朝向的角度，然后需结合数字罗盘测得的浮标朝向角对比修正，得到风向与地理北极的夹角，即真正意义上的风向。使用时，需要把数字罗盘的正方向、浮标平台的正方向、风向传感器的定北点规定在一条直线上，以便用航向角来修正风向，得到实际的风向数值，即偏离地理北极的角度。

GPS天线能对浮标的位置进行定位，方便浮标的投放和回收。同时，可根据GPS天线采集的经纬度及采集时间，通过计算单位时间内浮标移动的距离和方向来得到海流的流速及方向。

本实用新型采用分布式的数据采集结构，将多个采集任务分解成多个采集系统模块，各采集模块采集的数据先传输给单片机，单片机设有CAN总线接口，通过单片机内烧录的程序可以将数据分步传输给CAN总线，再由CAN总线传输给数据传输天线，最终由其发送给岸机通信模块。

进一步，浮体内装有蓄电池及蓄电池充放电控制电路，蓄电池充放电控制电路包括第二单片机、充电功率管、电抗器和保护二极管，太阳能板通过充电功率管与蓄电池串联，电抗器与蓄电池串联，保护二极管与蓄电池并联，第二单片机通过采样模块连接蓄电池两端，采集蓄电池的电压，然后通过PWM控制充电功率管。蓄电池的充电控制采用斩波式PWM原理，分为两个阶段，第一阶段为快充阶段，第二阶段为PWM阶段(慢充阶段)。第二单片机通过采样模块检测蓄电池的端电压，将检测得到的蓄电池端电压与给定电压比较，若蓄电池的电压小于给定电压时，第二单片机控制斩波器(即充电功率管)全通，迅速给蓄电池充电；当蓄电池的电压大于给定电压时，则根据比例调整充电功率管的占空比，充电进入慢充阶段，改善充电特性，防止过充。放电时，蓄电池给系统供电，当蓄电池的电压低于放电门限的时候就要切断放电的路径，停止电池给系统的各个传感器供电，并开始给蓄电池充电。

进一步，所述的环形防护架沿其径向设有若干横杆，用来安装各类传感器和天线。在环形架内侧安装，防止被碰撞。

进一步，环形防护架上设有锚灯，锚灯与蓄电池连接。锚灯可以在夜间提示浮标的位置。

优选的，所述的风向传感器采用精密导电塑料电位器，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出，并通过A\D转换把模拟输入信号转换为12位数字信号。最后计算风向，即D＝360×R₀/R₊，其中D表示相对风向值，R₀为电位器电阻(Ω)，R₊表示输出电阻(Ω)。

优选的，所述的浮体由角铁和船用钢板焊接而成，稳定坚固，耐腐蚀。

本实用新型通过设置环形防护架，可充分保护太阳能板，防止被碰坏。同时，采用分布式的数据采集结构，通过CAN总线将数据分步传输给岸机，实现了数据的精准传输。本实用新型利用GPS天线实现了海流流速及方向的测量，增加了浮标可测量的海洋要素；同时，还对太阳能充电过程实现了有效管理。

附图说明

图1是本实用新型的外部结构示意图；

图2是本实用新型分布式数据采集结构的原理框图；

图3是本实用新型电源系统原理框图；

图4是电源充电控制原理图；

图5是采集波高所采用的电路原理框图；

图中，1、浮体，2、舱门，3、标架，4、太阳能板支架，5、环形防护架，6、锚灯，7、横杆，8、风速传感器，9、数据传输天线，10、GPS天线，11、数字罗盘，12、风向传感器，13、太阳能板，14、安装架，15、设备盒。

具体实施方式

一种小型海况监测浮标，如图1所示，包括圆盘形的浮体1及装在浮体顶面的标架3，浮体1由角铁和船用钢板焊接而成。浮体1顶面设有舱门2，浮体1内装有蓄电池和蓄电池充放电控制电路。所述的标架3为四棱锥形，标架3中部两相对的侧面上设有太阳能板支架4，太阳能板支架4上倾斜设置有太阳能板13，太阳能板13与浮体1内的蓄电池连接，为其充电。标架3顶部设有与其垂直的环形防护架5，环形防护架5的外边缘凸出于太阳能板13的外边缘；环形防护架5沿其径向设有若干横杆7，横杆7上安装有风速传感器8、风向传感器12、GPS天线10、数字罗盘11和数据传输天线9，环形防护架5上装有锚灯6，锚灯6及风速传感器8、风向传感器12、数字罗盘11均与蓄电池连接，由其提供工作电源。标架中部内侧设有安装板14，其上安装有设备盒15，设备盒15内设有第一单片机，风速传感器、风向传感器、GPS天线和数字罗盘均与第一单片机的传感器接口连接，第一单片机上设有CAN接口，第一单片机通过CAN接口连接CAN总线，CAN总线与数据传输天线连接，数据传输天线与岸机通信模块无线连接(参考图2)。风速传感器、风向传感器、GPS天线和数字罗盘采用分布式数据采集结构，分别采集各类数据，采集的数据先给第一单片机处理，第一单片机将处理后的数据分步传送给CAN总线，CAN总线通过数据传输天线发送给岸机通信模块，进而发给PC机进行数据的显示与存储。

如图3、图4所示，蓄电池充放电控制电路包括第二单片机、充电功率管、电抗器和保护二极管，太阳能板通过充电功率管与蓄电池串联，电抗器与蓄电池串联，保护二极管与蓄电池并联，第二单片机通过采样模块连接蓄电池两端，采集蓄电池的电压，然后通过PWM控制充电功率管。采用斩波式PWM原理，根据蓄电池两端电压情况控制充电电路进行快速或慢速充电。

下面举例说明利用GPS定位信息测量海流流速和方向的过程：

首先，利用GPS天线获取的经纬度求出浮标移动前后两点之间的距离，假设地球是一个标准球体，半径为R，并且假设东经为正，西经为负，北纬为正，南纬为负，那么在球面上任意两点A、B的球面距离为：

Dis＝R×{arcos[cosb×cosy×(a－x)+sinb×siny]}；

两点间的距离再除以时间就得到了海流的流速。

海流方向的计算公式为：

Dir＝arctan[(y-b)/(x-a)/Pi×180]。

式中：Dir表示海流方向；Dis为A、B两点的球面距离；x、y、z分别表示A点的经度、纬度、高度；a、b分别表示B点的经度、纬度；R为地球半径。

另外，本实用新型还能用来测量海流的波高，测量原理图如图5所示，具体过程描述如下：波高的测量采用了差值法的原理，差值法可描述为：通过不断读取两个过零脉冲计数器的计数值,可以得到其差值,在某一采集点，取得差值的一个极小(大)值,再取得与此点相邻的(时间上靠后的)差值的极大(小)值点。用这两个极值点的差来作为波浪上升(下降)的脉冲计数，并由此计算波高值。

Claims

1.一种小型海况监测浮标，包括浮体(1)及装在浮体顶面的标架(3)，所述的标架(3)为多棱锥形，其特征在于：标架(3)中部至少一个侧面上设有太阳能板支架(4)，太阳能板支架(4)上装有太阳能板(13)；标架(3)顶部设有与其垂直的环形防护架(5)，环形防护架的外边缘凸出于太阳能板的外边缘；环形防护架(5)上安装有风速传感器(8)、风向传感器(12)、GPS天线(10)、数字罗盘(11)和数据传输天线(9)；标架(3)中部内侧设有安装板(14)，其上安装有设备盒(15)，设备盒(15)内设有第一单片机，风速传感器、风向传感器、GPS天线、数字罗盘与单片机连接，单片机通过CAN总线与数据传输天线连接，数据传输天线与岸机通信模块无线连接。

2.根据权利要求1所述的小型海况监测浮标，其特征在于：浮体(1)内装有蓄电池及蓄电池充放电控制电路，蓄电池充放电控制电路包括第二单片机、充电功率管、电抗器和保护二极管，太阳能板通过充电功率管与蓄电池串联，电抗器与蓄电池串联，保护二极管与蓄电池并联，第二单片机通过采样模块连接蓄电池两端，采集蓄电池的电压，然后通过PWM控制充电功率管。

3.根据权利要求2所述的小型海况监测浮标，其特征在于：环形防护架(5)上设有锚灯(6)，锚灯与蓄电池连接。

4.根据权利要求1所述的小型海况监测浮标，其特征在于：所述的环形防护架(5)沿其径向设有若干横杆(7)，用来安装各类传感器和天线。

5.根据权利要求1所述的小型海况监测浮标，其特征在于：所述的风向传感器(12)采用精密导电塑料电位器。

6.根据权利要求1所述的小型海况监测浮标，其特征在于：所述的浮体(1)由角铁和船用钢板焊接而成。