CN208291429U - 一种海洋监测浮标系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海洋监测浮标系统，包括摩擦纳米发电机和信息采集装置，摩擦纳米发电机与信息采集装置集成于海上浮标内，摩擦纳米发电机将海浪波能量转换成电能提供给信息采集装置进行工作，信息采集装置根据采集的浮标的轴向加速度、周向角加速度以及浮标区域的磁场向量，输出当前海面海浪参数，当海浪参数大于设定的阈值时输出报警信号。该系统采用浪波能量进行不间断的输出电能，降低浮标系统的维护成本。

Description

一种海洋监测浮标系统

技术领域

本实用新型涉及海洋数据监测领域，具体为一种海洋监测浮标系统。

背景技术

海洋、河流及湖泊等大型水面上布置的浮标不但可以指示航道和潜在危险，还能协助研究员跟踪研究水文气象情况，监听鲸类声音，甚至协助军方探测水下潜艇。

海洋浮标观测技术日趋成熟，专用型浮标是浮标观测技术水平良好体现，也是世界各国在海洋资料浮标领域研究、制造、应用方面综合实力、技术水平和创新能力的标志，代表成果有海洋剖面浮标、海上风剖面浮标、海啸浮标、波浪浮标、光学浮标等，但各浮标数据采集频率不高、采集数据较少，也常忽视了浮标自身状态(地理位置、周围环境)的测量，也不能输出测量区域的海浪预警。

目前大多数海洋浮标由蓄电池供电进行工作，但由于海洋浮标远离陆地，更换电池不便，因此有不少海洋浮标装备太阳能蓄电设备，大大减少了换电池的次数，使海洋浮标更加简便、经济。然而光伏设备单位发电成本较高，同时受洋面恶劣气候和昼夜交替的影响，难以提供稳定的电能来源。由于水波机械能同太阳能和风能比较，很少依赖于季节气候、昼夜更替、温度高低等因素，具有稳定连续的特点，如何利用水波机械能替代太阳能作为海上浮标能量来源成为工程师们关心的问题。

由于波浪的运动方式无法使涡轮机快速旋转，以产生稳定持续的电流，美国海军水下作战中心的高级研究工程师德克·R·休斯建议采用压电材料制造浮标，目前海洋波浪能利用多采用机械换能，驱动电磁直线发电机，由于压电材料的能量转化效率较低，而机械换能的过程中不可避免的存在能量耗散，我们期望减少中间能量传递环节，从而简化系统结构、提高能量转换效率、降低系统成本。

针对现有的技术问题，有必要开发一种可持续供电的海洋监测浮标系统，解决现有的问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种海洋监测浮标系统，采用摩擦纳米发电机为信息采集装置提供稳定的电能，信息采集装置根据采集的数据输出浮标的抖动参数，实现海浪报警功能。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种海洋监测浮标系统，包括摩擦纳米发电机、信息采集装置和上位机；

其中，摩擦纳米发电机与信息采集装置连接，信息采集装置设置在浮标上，用于采集浮标的轴向加速度、周向角加速度以及浮标区域的磁场向量，输出当前海面海浪参数，并将采集的数据输送至上位机；

摩擦纳米发电机包括绝缘的壳体，壳体的内部涂覆两个电极层，且两个电极层不重合，电极层上涂覆有电介质层，壳体的内部设置有能够自由移动的转子，转子与电介质层摩擦产生电荷转移。

优选的，所述壳体为球形壳体，所述转子为聚甲醛球形转子，所述电极层为银电极层，所述电介质层为硅胶电介质层。

优选的，所述球形壳体为两个半球壳体拼接形成。

优选的，所述壳体上设置有导线孔，导线的一端穿过导线孔与电极层连接，导线的另一端通过整流电路与电池连接，电池与信息采集装置连接。

优选的，所述电介质层的表面为粗糙面。

优选的，所述浮标系统包括多个摩擦纳米发电机，多个摩擦纳米发电机并联。

优选的，所述信息采集装置包括控制单元，控制单元上设置有三轴加速度传感器、角加速度传感器、磁场传感器和无线通信模块；

所述三轴加速度传感器用于采集浮标的轴向加速度；角加速度传感器用于采集浮标的周向角加速度；磁场传感器用于采集浮标区域的磁场向量，无线通信模块用于控制单元和上位机的无线数据通信。

优选的，所述控制单元上还设置有光强传感器和灯源；光强传感器用于采集浮标区域的光照强度，控制单元根据光照强度开启灯源。

优选的，所述控制单元还设置有报警单元、气压传感器和GPS模组，当浮标的抖动值大于设置值时，报警单元输出报警信号；气压传感器用于采集浮标区域的气压；GPS模组用于采集浮标的位置信息。

优选的，所述控制单元还设置有图像传感器，用于采集浮标区域的图像信息。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的一种海洋监测浮标系统，摩擦纳米发电机在波浪的作用下，转子与壳体内的电介质层，发生摩擦产生电荷转移，进而产生电流对信息采集装置进行供电，信息采集装置根据浮标的轴向加速度、周向角加速度以及浮标区域的磁场向量得到当前海面海浪参数，进而输出报警信号。

采用摩擦纳米发电机能够不间断的输出电能，维护操作简单易行，对操作人员的技术水平要求低，可以大幅削减设备部署后的后期维护费用。而且能量的利用效率高，该发电机采用密封结构，寿命也可以大大延长。

附图说明

图1为摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为整流充电电路原理图；

图3为本实用新型信息采集装置的示意图；

图4为平台分布示意图；

图5为水波能发电图。

图中：1、球形壳体；2、银电极层；3、硅胶电介质层；4、聚甲醛球形转子。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

一种海洋监测浮标系统，包括上位机、发电单元和信息采集装置，发电单元用于给信息采集装置提供电能，信息采集装置与上位机相交互。

如图1所示，发电单元包括多个并联的摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机包括由两个结构相同的半球壳体拼接而成的密封的球形壳体1，球形壳体 1内安装聚甲醛球形转子4。

半球壳体内壁涂覆银电极层2，并在银电极层2上涂覆硅胶电介质层3，硅胶电介质层3表面进行微纳尺度加工增糙处理，在两个半球壳体拼接时保证两个银电极层2不重合。半球壳体上设置有穿线孔，导线穿过穿线孔与银电极层2连接，导线与半球壳体之间进行防水处理。

摩擦纳米发电机采用完全封闭的结构设计，摩擦纳米发电机可以不依赖支撑漂浮于水体表面，在波浪的作用力下，摩擦纳米发电机上下移动，聚甲醛球形转子4在球形壳体两侧的硅胶电介质层3间滚动，聚甲醛球形转子4 与硅胶介质层3摩擦产生高压高压低流的脉冲电信号，对高压低流的电信号进行降压升流处理，整流滤波后的信号经稳压输出接3.7V锂电池充电，即在外接负载上产生交流电。

如图2所示，整流充电电路原理图，将多个摩擦纳米发电机并联的输出端接到电压比为220/12的小型变压器上，对高压低流的电信号进行降压和升流处理，并通过桥式整流电路对交流信号进行整流，将整流完毕后的信号进行电压滤波并接到7805三端稳压集成电路上实现稳压，稳压输出接3.7V 锂电池充电，并使用DW01芯片对锂电池进行充电保护。

表1材料得失电子能力表

注：趋向“正”方向的材料更容易失去电子，趋向“负”方向的材料更容易得到电子。

经过大量实验对比，球形壳体采用亚克力材料制成，直径为60mm，聚甲醛球形转子的直径为40mm，硅胶电介质层的厚度为5mm，硅胶电介质层经微纳加工表面处理有效增加硅胶电介质层表面粗糙度，从而有效增强器件的电学输出。

球形壳体还可采用其它绝缘材料制成，如橡胶、高分子材料和木质材料。

所述银电极层还可采用其它导电材料制成，如铜、铁、铝、金中任意一种。

所述硅胶电介质层与聚甲醛球形转子的选材原则需遵循，电介质层与转子摩擦得失电子相差越大越好，既产生的电能越多。

如图3所示，信息采集装置包括控制单元以及和控制单元连接的三轴加速度传感器、角加速度传感器、磁场传感器、图像传感器、触点按钮、无线通信、光强传感器、LED灯、实时时钟、报警单元、气压传感器和GPS模组。

其中，控制单元与锂电池连接，控制单元为STM32，用于对与其连接的各个部件进行电源供应，并完成数据的处理、储存和转发，响应来自上位机的通信。

三轴加速度传感器用于采集浮标的轴向加速度；角加速度传感器用于测量浮标的周向角加速度；磁场传感器用于采集浮标区域的磁场向量，磁场向量用于减小姿态演算中的积分误差，修正浮标的姿态数据。

控制单元读取轴向加速度、周向角加速度和磁场向量，根据卡曼滤波算法得到当前海面海浪参数，当前海浪参数大于设定的海浪参数阈值，则报警单元输出报警，同时向上位机输出预警信号。

图像传感器用于定时采集浮标区域的周围环境的视觉信息，并通过控制单元发送给上位机，采集的视觉信息作为数据记录的参考，同时可以在仅通过位移及抖动无法判断环境危险程度的情况下实现对附近图像信息的采集。

浮标系统利用周向加速度、角加速度融合演算设备的姿态情况，并使用磁场信息修正，再通过积分方式得到系统的位移信息，并定时通过气压、 GPS修正位移信息，不但能够在短时间内实现精确的位移计算，还能够解决长时间下通过位移演算造成的位移漂移的问题。

无线通信用于控制单元和上位机的无线数据通信。

光强传感器用于采集环境的光照情况，对作为天气状况判断的辅助信息。

触点按钮：实现紧急人机交互的需求，当有人落水按下求救按钮时，调用无线通信模块向基站发出求救信号，基站通过查询系统编号及平台的位移数据确定求救位置，便于展开救援；

LED灯：实现基本信息的显示，指示系统工作状态以及照明。

实时时钟：提供日志的时间记录，保证短时间的离线状态的正常工作。

系统设计为中断驱动型系统，具体分级如表2所示(数值越小优先级越高)：

表2中断驱动系统优先级划分表

注：主优先级高的中断可以抢断主优先级低的中断，主优先级相同的不同副优先级中断不能进行中断嵌套。

如图4所示，下面以4个浮标为例，在每个监测点设置一个浮标，浮标上安装信息采集装置和摩擦纳米发电装置，对该浮标系统的功能进行说明。

1)若某人在监测点1所在海域落水，其游到了最近的浮标所在区域，并按下信息采集装置上的触点开关，则立即产生中断，控制单元响应中断，控制单元将通过无线通信直接与基站上位机通讯，报告示警浮标点编号，系统监视人员将第一时间收到警报，进行救援。

2)控制单元定时查询三轴加速度传感器、角加速度传感器的数值(探测抖动)并对其进行离散积分(探测海平面升高)。例如监测点2处，浮标上的控制单元通过三轴加速度传感监测到海平面有巨大抖动/有显著升高，控制单元则控制报警单元进行报警，报警器采用红色灯光报警或蜂鸣器进行报警。控制单元并通过无线通信直接与基站上位机通讯，报告监测点的浮标编号及海平面状况；基站通过分析选择是否解除警报并通知控制单元判断结果，以取消或加强其预警状态。

3)例如监测点4，白天控制单元每隔一段时间查询光强传感器的光强值，控制单元根据光强值决定是否亮起照明用白LED灯，控制单元根据日历时钟的时间对夜间的光强值不进行查询，直接开启LED灯，同时其无线通信系统所发送的光强值将通过检测点2转发至基站。

4)“黑匣子”功能：例如监测点3，由于偶发事件，浮漂位置发生偏移，信息采集装置无法与附近的基站或监测点建立通信，监测点将处于离线工作状态，控制单元定时记录海平面高度、三轴加速度、光强等信息，存于 Flash中，定期尝试重新建立无线通信，向基站汇报近期海况。

数据可视化处理

上位机为第三方可视化工具BDP云平台，用户通过计算机或手机访问 BDP云平台，实现对发电单元的发电数据的实时监测，获得突发情况预警以及进行发电数据横纵向比较。通过无线端口匹配控制单元，建立数据库系统综合化处理数据并同步导出至处理设备。随后，在多对多端口登陆服务器账户并进行数据的云端上传与计算，从而利用其实时更新特性完成电压数据的动态更新可视化。

最终数据图形化界面展示如下：

针对电量采集的可视化过程。为更清晰展现电量随时间的变换过程，基于BDP云平台数据同步实时更新的特性，选用折线图展现水波能转化的电能数据。如图5所示，造浪机模拟水波所产生的电能随着时间的更新呈现出“时上时下，曲线前进”的特点，产电量由于水波的大小由12至175(mv) 不等。

该系统可实现PC端，客户端两端异常数据回馈响应，实时传递海面危险情况，有效预测海啸、海底地震等自然灾害，为邻海居民提供安全保障。海上风险预警是海上应急管理的重要环节。预警的效果反映出海上安全主管机关应急能力，成功的预警能够使人们在事故发生时做好充分的心理准备，提前做好应急准备工作，降低事故造成的损失。

我国多年来一直采用分级响应的预警政策，预警等级划分直接决定了预警效果。当前我国海上风险预警分为四级，预警信息以气象预报的形式体现，该方法已被海事主管机关采用多年，有效降低了海上事故发生概率，对海上安全保障有着突出贡献，但在实践过程中也暴露出一定的缺陷：预警对象粗犷，预警指标单一，缺乏完善的数学模型对预警等级进行量化评判，船舶收到预警延迟较大且难以根据预警级别准确判断自身危险度等。上述缺陷一定程度上影响了预警工作效率，导致应急准备不足和预警反应过度时有发生，而目前对海上风险预警分级的研究较少，且常常将海上风险评价方法简单地移植于风险预警。

本系统在可视化的过程中结合模糊综合评判模型设立多层次可视化预警过程，能够及时且准确的将危险信号传递至PC端与客户端(预警信息对应上图中超过红线部分)，提供一套新型节能性海上预警可视化平台。

针对其他功能如水文记录、海面景观拍摄、落水求救、海上灯塔等。在未来将开发模块以记录海面状况，总结分析各年份海浪运动规律，海面状况变化规律，呈现各年份潮汐能大小并对未来的产业化产电进行预测，计算使用模型所节省的能源。

基于BDP的网络架构信息交换平台实现海面数据可视化，建立若干应用子系统进行数据共享，保证分布异构系统之间互联互通，建立中心数据库，完成数据的抽取、集中、加载、展现，构造统一的数据处理和交换。此外，数据可视化平台集成协议转换、加密、压缩、交换、监控等多种功能，给予客户接入端部署软件的系统前置机，实现数据交换平台和各信息系统的有机结合。对于信息安全方面，全站采用https私密安全连接，能有效防御包括 CC、SYN flood、UDP flood等所有DDoS攻击方式。

数据交换中心中采用的核心技术是XML技术和Web Service技术。 XML技术是一种可扩展标记语言，其为Web页面上的结构化文档和数据定义了一套通用格式且具有很强的数据表现能力，可扩展性强。Web Service 具有完好的封装性、松散耦合、使用标准协议规范、高度可集成能力，而与 XML结合又使其具有了数据交换能力。

1)XML技术

数据交换平台主要提供XML数据访问和交换的能力，包括：

①数据发布与订阅服务。一个应用节点可以向交换中心发布共享数据，其他应用节点可以订阅该数据，并由交换中心将其“推送”到订阅的应用节点。

②数据路由与交换服务。对于数据实时性要求较高，或者不希望数据存储时，数据中心就将作为Proxy或Intermediator，提供实时的数据交换服务。

③数据链路连接服务。数据交换节点可以通过数据中心与另一个数据交换节点建立一个交换的连接通路。

④数据查询服务。对数据交换节点提供查询中心数据仓库转储的数据的服务。

⑤数据更新服务。对数据交换节点提供更新中心数据仓库转储的数据的服务。

2)Web Service技术

数据交换平台采用Web Service技术进行组件和应用系统的包装，将系统的数据展示和需求都看作一种服务，通过服务的请求和调用实现系统间的数据交换和共享。

①提供最新的信息服务。应用系统所能提供的数据并不需要复制到共享数据库里，而只是以Web Service的形式发布出来，只有当用户发出服务请求的时候，数据才从应用系统经过数据交换平台直接传输给用户。这样用户所得到的永远是最新的消息。

②应用系统之间松散耦合。当应用系统中的数据格式变更或增加了新的数据时，只需以新的Web Service发布出来，用户即可通过数据交换平台使用服务并获得相应数据。数据交换平台和客户端，都不需要做任何改动，这就实现了系统之间的低耦合性。

③统一的安全机制。当应用系统申请进行数据查询和更新操作时，必须通过安全可信的Web Service在权限管理的控制下来进行数据的交换和传输，这样就提高了系统和数据的安全性。

该浮标系统的有益效果

1、能量来源稳定：据广州气象局数据，广州海上年平均日光照时间为 3.13小时，可见海上太阳能情况并不乐观，需要进行大量的能量存储以应对夜晚及阴雨天气；而本装置采用波浪能发电，潮汐和海上的风浪都可以作为系统的能量来源，能源间歇性较弱，不需要大量的能量储备，可充电锂电池主要作为能量缓冲装置使用。

2、能量利用效率高：系统摩擦纳米发电机网状连结,采集低频海波能量，基础发电单元采用分布式结构并联供电，发电效率有很大提升，本装置的能量利用效率经计算和实验验证，能达到63.2％，远高出硅基光电太阳能的29％的极限利用效率，且没有必须长期面对高强度太阳直射的设备，对材料的抗老化性能要求较低，设备寿命也可以大大延长。

3、设备维护周期长：摩擦纳米发电机发出的电能提供了信息采集装置运转所需能量，锂电池长期工作于50％容量最佳平衡状态，且电池的容量不作为系统可靠运行的前提条件，系统的最长使用年限将主要由发电机组的保护层更换周期决定，系统整体寿命能达到十年以上，且正常运行期间不需要进行定期维护，即使需要维护，也仅需要更换个别模块，维护操作简单易行，对操作人员的技术水平要求低，可以大幅削减设备部署后的后期维护费用。

4、基站数据处理系统采用第三代检测系统(3GSS)，能实现访问控制、异物识别、异常检测、智能决策与仿真推演，是一套具备实时处理、广度分析、自动监控能力的系统。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海洋监测浮标系统，其特征在于，包括摩擦纳米发电机、信息采集装置和上位机；

其中，摩擦纳米发电机与信息采集装置连接，信息采集装置设置在浮标上，用于采集浮标的轴向加速度、周向角加速度以及浮标区域的磁场向量，输出当前海面海浪参数，并将采集的数据输送至上位机；

摩擦纳米发电机包括绝缘的壳体，壳体的内部涂覆两个电极层，且两个电极层不重合，电极层上涂覆有电介质层，壳体的内部设置有能够自由移动的转子，转子与电介质层摩擦产生电荷转移。

2.根据权利要求1所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述壳体为球形壳体(1)，所述转子为聚甲醛球形转子(4)，所述电极层为银电极层(2)，所述电介质层为硅胶电介质层(3)。

3.根据权利要求2所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述球形壳体(1)为两个半球壳体拼接形成。

4.根据权利要求3所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述壳体上设置有导线孔，导线的一端穿过导线孔与电极层连接，导线的另一端通过整流电路与电池连接，电池与信息采集装置连接。

5.根据权利要求1所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述电介质层的表面为粗糙面。

6.根据权利要求1所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述浮标系统包括多个摩擦纳米发电机，多个摩擦纳米发电机并联。

7.根据权利要求1所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述信息采集装置包括控制单元，控制单元上设置有三轴加速度传感器、角加速度传感器、磁场传感器和无线通信模块；

所述三轴加速度传感器用于采集浮标的轴向加速度；角加速度传感器用于采集浮标的周向角加速度；磁场传感器用于采集浮标区域的磁场向量，无线通信模块用于控制单元和上位机的无线数据通信。

8.根据权利要求7所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述控制单元上还设置有光强传感器和灯源；光强传感器用于采集浮标区域的光照强度，控制单元根据光照强度开启灯源。

9.根据权利要求7所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述控制单元还设置有报警单元、气压传感器和GPS模组，当海面海浪参数大于设定阈值时，报警单元输出报警信号；气压传感器用于采集浮标区域的气压；GPS模组用于采集浮标的位置信息。

10.根据权利要求7所述海洋监测浮标系统，其特征在于，所述控制单元还设置有图像传感器，用于采集浮标区域的图像信息。