CN215264405U - 移动式海上环境监测设备及其监控系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种移动式海上环境监测设备的监控系统与移动式海上环境监测设备，通过在监控系统中设置主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元，使得主控制单元具有两个冗余控制单元作为备用控制单元，三个控制单元同时上电，以一主二从的方式工作，主控制单元工作时，通过第一RS485总线将数据同步到两个冗余控制单元备份，使得一旦主控制单元因损坏而失效，第一冗余控制单元或第二冗余控制单元可以替代主控制单元，继续正常执行监控和管理移动式海上环境监测设备的功能，大大降低某一控制单元因硬件损坏带来的监控系统失效的问题。

Description

移动式海上环境监测设备及其监控系统

技术领域

本申请涉及海上作业设备监控技术领域，特别是涉及一种移动式海上环境监测设备及其监控系统。

背景技术

随着海上环境监测及风电等应用的推进，移动式海上环境监测设备的使用需求也不断增多。移动式海上环境监测设备指的是海上用于气象监测、环境监测以及洋流监测的浮标系统。为了移动式海上环境监测设备的供电可靠、工作安全、以及监测数据的可回传性，一套可靠的移动式海上环境监测设备的监控系统显的格外重要。

由于传统的移动式海上环境监测设备的监控系统无法对移动式海上环境监测设备中的各个装置进行可靠的供能管控，导致移动式海上环境监测设备时常因为供电不足而宕机，进而丢失监测数据。而且传统的监控系统的最大问题是稳定性差，自身如果因为控制单元损坏而宕机，监控系统会完全崩溃，失去对海上环境监测设备的监控与管理功能。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统移动式海上环境监测设备中的监控系统稳定性差，自身如果因为控制单元损坏而宕机，监控系统会完全崩溃的问题，提供一种移动式海上环境监测设备及其监控系统。

本申请提供一种移动式海上环境监测设备的监控系统，包括：

主控制单元，包括第一嵌入式控制器和第一卫星通讯模块；

第一冗余控制单元，包括第二嵌入式控制器和第二卫星通讯模块；

第二冗余控制单元，包括第三嵌入式控制器和第三卫星通讯模块；

第一RS485总线；

CAN总线；

采样单元，分别与主控制模块、第一冗余控制模块和第三冗余控制模块通过第一RS485总线通信连接；

IO输入单元，分别与主控制模块、第一冗余控制模块和第三冗余控制模块通过第一RS485总线通信连接；

继电器输出单元，分别与主控制模块、第一冗余控制模块和第三冗余控制模块通过RS485总线通信连接；

燃料电池控制单元，分别与主控制模块、第一冗余控制模块和第三冗余控制模块通过CAN总线通讯连接；

柴油发电机控制单元，分别与主控制模块、第一冗余控制模块和第三冗余控制模块通过CAN总线通信连接。

本申请还包括一种移动式海上环境监测设备，包括：

如前述内容提及的用于移动式海上环境监测设备中的监控系统；

太阳能光伏板，与所述监控系统连接；

风力发电机，与所述监控系统连接；

铅酸蓄电池组，与所述监控系统连接；

燃料电池组，与所述监控系统连接；

柴油发电机，与监控系统电连接。

本申请涉及一种移动式海上环境监测设备的监控系统与移动式海上环境监测设备，通过在监控系统中设置主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元，使得主控制单元具有两个冗余控制单元作为备用控制单元，三个控制单元同时上电，以一主二从的方式工作，主控制单元工作时，通过第一RS485 总线将数据同步到两个冗余控制单元备份，使得一旦主控制单元因损坏而失效，第一冗余控制单元或第二冗余控制单元可以替代主控制单元，继续正常执行监控和管理移动式海上环境监测设备的功能，大大降低某一控制单元因硬件损坏带来的监控系统失效的问题。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的移动式海上环境监测设备的监控系统的结构示意图。

图2为本申请另一实施例提供的移动式海上环境监测设备的监控系统的结构示意图。

图3为本申请另一实施例提供的移动式海上环境监测设备(包括监控系统) 的结构示意图。

附图标记：

10-监控系统；110-主控制单元；111-第一嵌入式控制器；

112-第一卫星通讯模块；120-第一冗余控制单元；121-第二嵌入式控制器；

122-第二卫星通讯模块；130-第二冗余控制单元；131-第三嵌入式控制器；

132-第三卫星通讯模块；210-第一RS485总线；220-CAN总线；

230-第二RS485总线；240-第三RS485总线；300-采样单元；

310-第一数据采集单元；311-第一数据采集模块；320-第二数据采集单元；

321-第二数据采集模块；330-第三数据采集单元；331-第三数据采集模块；

340-温度采样单元；341-温度采样模块；400-IO输入单元；

410-32路IO输入模块；500-继电器输出单元；600-燃料电池控制单元；

610-燃料电池控制器；700-柴油发电机控制单元；

710-柴油发电机主控制单元；711-柴油发电机主控制器；712-控制面板；

713-逆变器；720-柴油发电机从控制单元；

721-第一柴油发电机从控制单元；721a-第一柴油发电机从控制器；

721b-第一进出水温度检测模块；721c-第一流量计；

722-第二柴油发电机从控制单元；722a-第二柴油发电机从控制器；

722b-第二进出水温度检测模块；722c-第二流量计；800-工控机单元；

900-双天线定位单元；20-太阳能光伏板；30-风力发电机；

40-铅酸蓄电池组；50-燃料电池组；60-柴油发电机

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供一种移动式海上环境监测设备的监控系统10。需要说明的是，本申请提供的监控系统10应用于任何类型的移动式海上环境监测设备。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述移动式海上环境监测设备的监控系统10包括主控制单元110、第一冗余控制单元120、第二冗余控制单元130、第一RS485总线210、CAN总线220、采样单元300、IO输入单元400、继电器输出单元500、燃料电池控制单元600、以及柴油发电机控制单元700。

所述采样单元300，分别与主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130通过第一RS485总线210通信连接。所述IO输入单元400，分别与主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130通过第一RS485总线210通信连接。所述继电器输出单元500，分别与主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130通过RS485总线通信连接。所述燃料电池控制单元600，分别与主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130通过CAN总线通讯连接。所述柴油发电机控制单元700，分别与主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130通过CAN 总线通信连接。

所述主控制单元110包括第一嵌入式控制器111和第一卫星通讯模块112。所述第一冗余控制单元120包括第二嵌入式控制器121和第二卫星通讯模块 122。所述第二冗余控制单元130包括第三嵌入式控制器131和第三卫星通讯模块132。

具体地，为了防止核心控制单元损坏，导致整个监控系统10不可控，本方案加入了控制单元的冗余设计。并且，本申请采用的是三冗余设计，包括三个互相冗余的主控制单元110、第一冗余控制单元120、第二冗余控制单元130。

主控制单元110包括一颗第一嵌入式控制器111。第一冗余控制单元120包括一颗第二嵌入式控制器121。第二冗余控制单元130包括一颗第三嵌入式控制器131。第一嵌入式控制器111、第二嵌入式控制器121、第三嵌入式控制器131 可以均采用STM32F103ZET6型号的单片机。单片机内置主从切换逻辑，可以实现主控制单元110、第一冗余控制单元120、第二冗余控制单元130之间的数据同步和随时切换。因此有至少一个控制单元能够正常工作，整个监控系统10就能够保证稳定的运行。

传统的监控系统，与地面的远程服务器的数据通信方式远主要利用4G网络数据通信，因为海上4G信号较弱或没有信号，移动式海上环境监测设备的状态参数及检测数据不能及时回传到地面的远程服务器。

而本申请所采用的是卫星通信系统作为远程通信方式。主控制单元110、第一冗余控制单元120、第二冗余控制单元130分别设置了一个卫星通讯模块，即第一卫星通讯模块112、第二卫星通讯模块122和第三卫星通讯模块132。第一卫星通讯模块112、第二卫星通讯模块122和第三卫星通讯模块132可以为SBD 铱星远程卫星数据收发模块/北斗短报文通讯模块/天通物联网通讯模块。这三个卫星通信模块也是冗余设计的。通过铱星/北斗/天通物联网通讯模块-卫星- 地面基站-服务器间的数据交互流程实现监控系统10与地面服务器之间的双向数据通信，便于实现控制指令下发，监测数据回传等功能。

本实施例中，通过在监控系统10中设置主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130，使得主控制单元110具有两个冗余控制单元作为备用控制单元，三个控制单元同时上电，以一主二从的方式工作，主控制单元110工作时，通过第一RS485总线210将数据同步到两个冗余控制单元备份，使得一旦主控制单元110因损坏而失效，第一冗余控制单元120或第二冗余控制单元130可以替代主控制单元110，继续正常执行监控和管理移动式海上环境监测设备的功能，大大降低某一控制单元因硬件损坏带来的监控系统10失效的问题。

如图2所示，在本申请的一实施例中，所述采样单元300包括第一数据采集单元310、第二数据采集单元320、第三数据采集单元330和温度采样单元340。所述第一数据采集单元310与第一RS485总线210连接。所述第二数据采集单元320与第一RS485总线210连接。所述第三数据采集单元330与第一RS485 总线210连接。所述温度采样单元340与第一RS485总线210连接。

所述第一数据采集单元310包括第一数据采集模块311、霍尔电流传感器、电压检测线、液位传感器和氢气传感器。所述第二数据采集单元320包括至少第二数据采集模块321和3个霍尔电流传感器。所述第三数据采集单元330包括第三数据采集模块331和至少6个霍尔电流传感器。所述温度采样单元340 包括至少6个NTC温度传感器。

具体地，第一数据采集模块311可以为一个12路485数据采集模块。所述霍尔电流传感器、电压检测线、液位传感器和氢气传感器均挂载在第一数据采集模块311的检测口上，这使得第一数据采集模块311可以对铅酸电池组进行总电压检测和总电流检测。为了绘图简洁，霍尔电流传感器、电压检测线、液位传感器和氢气传感器均没有在图2和图3中示出。此外，第一数据采集模块 311还可以对移动式海上环境监测设备进行液位检测，通过液位传感器挂载在第一数据采集模块的检测口上实现，可以及时发现移动式海上环境监测设备内部的积水情况。第一数据采集模块311还可以进行氢气浓度检测，通过挂载在第一数据采集模块311的检测口上实现，可以避免氢气浓度过高导致危险事件的发生。

第二数据采集模块320可以为一个12路485数据采集模块。第二数据采集单元320还包括至少3个霍尔电流传感器(为了绘图简洁，霍尔电流传感器没有在图2和图3中示出)，每一个霍尔电流传感器均挂载在第二数据采集模块321 的检测口上，可以实现对太阳能光伏板20的充电电流的检测。

第三数据采集模块330可以为一个12路485数据采集模块。第三数据采集单元330还包括至少6个霍尔电流传感器(为了绘图简洁，霍尔电流传感器没有在图2和图3中示出)，每一个霍尔电流传感器均挂载在第三数据采集模块331 的检测口上，可以实现对风力发电机30的充电电流的检测。

温度采样单元340包括温度采样模块341和至少6个NTC温度传感器(为了绘图简洁，NTC温度传感器没有在图2和图3中示出)。所述温度采样模块341 可以为一个NTC温度采样模块，此模块最大支持12路NTC5K/10K温度传感器的接入。每一个NTC温度传感器均挂载在温度采样模块341的检测口上，可以对移动式海上环境监测设备内部的温度进行检测，具体检测温度的部位可以包括移动式海上环境监测设备的舱内、舱底和电器柜的各个位置。

请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述IO输入单元400包括一个 32路IO输入模块410。所述32路IO输入模块410与第一RS485总线210连接。

具体地，32路IO输入模块410可以检测各个电力装置电平的变化，从而实现报警功能，包括但不仅限于分流器状态反馈、蝶阀开闭状态反馈、逆变器713 的状态反馈、风机刹车状态反馈以及烟雾传感器反馈等。

请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述继电器输出单元500包括至少2个32路继电器输出模块。

具体地，2个32路继电器输出模块互为冗余设置。2个32路继电器输出模块可以实现所有电力装置的各种实际控制。包括但不仅限于分流器复位、柴油发电机60的远程启停、柴油发电机从控制单元720的电源启停、逆变器713的输出控制、柴油发电机60的换热器控制、蝶阀控制、耗散电阻控制、风刹车控制与潜水泵控制等。

请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述燃料电池控制单元600包括燃料电池控制器610。所述燃料电池控制器610连接于CAN总线。所述燃料电池控制器610在处于使用状态时，所述燃料电池控制器610和移动式海上环境监测设备中的燃料电池组50基于RS232通信协议通信连接。

具体地，燃料电池组50用于在太阳能光伏板20和风力发电机30无法正常工作的环境下，例如在阴天且无风的环境下，为铅酸电池组充电，维持移动式海上环境检测设备和监控系统10正常运转。燃料电池控制器610用于控制燃料电池组50的放电。

燃料电池控制器610可以为STM32F103ZET6型号的单片机。

请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述移动式海上环境监测设备的监控系统10，还包括第二RS485总线230、工控机单元800和双天线定位单元 900。

所述工控机单元800分别与主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130通过第二RS485总线230通信连接。所述双天线定位单元900，分别与主控制单元110、第一冗余控制单元120和第二冗余控制单元130通过 RS232-Rx协议通信连接。所述工控机单元800包括至少2个工控机。

具体地，工控机可以为PC，工控机上设置有存储器，用于暂时存储采样单元300所采集的所有数据，同时也可以提供备份数据的功能。工控机不仅仅用于存储所有采样单元或采集单元采集到的采样数据，还用于存储主控制单元或第一冗余控制单元，或第二冗余控制单元基于采样数据计算之后的荷电量等数据。此外工控机还存储关键传感器采集的数据，例如3米至250米不同高度层的风速、风向数据、洋流数据、波浪数据、海上温盐度数据等。

工控机单元800还可以与第一卫星通讯模块112或第二卫星通讯模块122 或第三卫星通讯模块132配合，以一定的时间间隔将数据以卫星传输的方式传输至地面服务器。时间间隔可调，时间间隔大于10分钟。也就是说，至少10 分钟产生一笔回传的数据输送至地面服务器。

请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述移动式海上环境监测设备的监控系统10还包括第三RS485总线240。所述柴油发电机控制单元700包括柴油发电机主控制单元710和柴油发电机从控制单元720。所述柴油发电机主控制单元710连接于第三RS485总线240。所述柴油发电机从控制单元720与CAN总线连接。所述柴油发电机从控制单元720还与第三RS485总线240连接。

具体地，柴油发电机控制单元700可以实现对柴油发电机60的工作状态的控制、温度的控制、以及回油量的采集。

请继续参阅图2，在本申请的一实施例中，所述柴油发电机主控制单元710 包括柴油发电机主控制器711、控制面板712和逆变器713。所述柴油发电机主控制器711连接于第三RS485总线240。所述控制面板712连接于第三RS485总线240。所述逆变器713连接于第三RS485总线240。

在本申请的一实施例中，所述柴油发电机从控制单元720包括第一柴油发电机从控制单元721和第二柴油发电机从控制单元722。所述第一柴油发电机从控制单元721与CAN总线连接。所述第一柴油发电机从控制单元721还与第三 RS485总线240连接。所述第二柴油发电机从控制单元722与CAN总线连接。所述第二柴油发电机从控制单元722还与第三RS485总线240连接。所述第一柴油发电机从控制单元721和第二柴油发电机从控制单元722互为冗余设计。

所述第一柴油发电机从控制单元721包括第一柴油发电机从控制器721a、第一进出水温度检测模块721b和第一流量计721c。所述第二柴油发电机从控制单元722包括第二柴油发电机从控制器722a、第二进出水温度检测模块722b和第二流量计722c。

具体地，第一柴油发电机从控制器721a可以为STM32F103ZET6型号的单片机。第二柴油发电机从控制器722a可以为STM32F103ZET6型号的单片机。

柴油发电机从控制单元720的作用是辅助柴油发电机主控制单元710工作。第一柴油发电机从控制单元721和第二柴油发电机从控制单元722互为冗余设计，其中有一个从控制单元未损坏，整个柴油发电机从控制单元720就可以正常工作。

第一RS485总线210、第二RS485总线230和第三RS85总线分别连接不同类型的装置或模块，代表执行不同的功能，设置三条RS485总线的好处是可以将不同功能的装置或模块分隔开，使得不同的装置或模块之间的通信速度，数据传输速度更快。

本申请还提供一种移动式海上环境监测设备。

如图3所示，在本申请的一实施例中，所述移动式海上环境监测设备包括如前述任意实施例中提及的一种移动式海上环境监测设备的监控系统10、太阳能光伏板20、风力发电机30、铅酸蓄电池组40、燃料电池组50和柴油发电机 60。

具体地，太阳能光伏板20、风力发电机30、铅酸蓄电池组40而言，只是通过各种挂载的传感器采集响应的电压电流等数据。

对于燃料电池组50和柴油发电机组60是通信连接。

所述移动式海上环境监测设备在实际使用时，还可以通过监控系统10中的第一卫星通讯模块112或第二卫星通讯模块122或第三卫星通讯模块132与地面的服务器进行通信连接，进行数据的上报、回传和交互。

铅酸蓄电池组40的作用是供给电能给移动式海上环境监测设备和其监控系统10的各个装置或模块。燃料电池组50和柴油发电机60的作用均是给铅酸蓄电池组40充电。太阳能光伏板20和风力发电机30的作用则是将太阳能或风能转化为电能存储至铅酸蓄电池组40。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，包括：

主控制单元，包括第一嵌入式控制器和第一卫星通讯模块；

第一冗余控制单元，包括第二嵌入式控制器和第二卫星通讯模块；

第二冗余控制单元，包括第三嵌入式控制器和第三卫星通讯模块；

第一RS485总线；

CAN总线；

采样单元，分别与主控制模块、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元通过第一RS485总线通信连接；

IO输入单元，分别与主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元通过第一RS485总线通信连接；

继电器输出单元，分别与主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元通过RS485总线通信连接；

燃料电池控制单元，分别与主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元通过CAN总线通讯连接；

柴油发电机控制单元，分别与主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元通过CAN总线通信连接。

2.根据权利要求1所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，所述采样单元包括：

第一数据采集单元，与第一RS485总线连接，包括第一数据采集模块、霍尔电流传感器、电压检测线、液位传感器和氢气传感器；

第二数据采集单元，与第一RS485总线连接，包括第二数据采集模块、至少3个霍尔电流传感器；

第三数据采集单元，与第一RS485总线连接，包括第三数据采集模块、至少6个霍尔电流传感器；

温度采样单元，与第一RS485总线连接，包括温度采样模块和至少6个NTC温度传感器。

3.根据权利要求2所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，所IO输入单元包括：

32路IO输入模块，与第一RS485总线连接。

4.根据权利要求3所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，所述继电器输出单元包括至少2个32路继电器输出模块。

5.根据权利要求4所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，所述燃料电池控制单元包括：

燃料电池控制器，连接于CAN总线，在处于使用状态时，和移动式海上环境监测设备中的燃料电池组基于RS232通信协议通信连接。

6.根据权利要求5所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，还包括：

第二RS485总线；

工控机单元，分别与主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元通过第二RS485总线通信连接；所述工控机单元包括至少2个工控机；

双天线定位单元，分别与主控制单元、第一冗余控制单元和第二冗余控制单元通过RS232-Rx协议通信连接。

7.根据权利要求6所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，还包括第三RS485总线；所述柴油发电机控制单元包括：

柴油发电机主控制单元，连接于第三RS485总线；

柴油发电机从控制单元，与CAN总线连接；所述柴油发电机从控制单元还与第三RS485总线连接。

8.根据权利要求7所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，所述柴油发电机主控制单元包括：

柴油发电机主控制器，连接于第三RS485总线；

控制面板，连接于第三RS485总线；

逆变器，连接于第三RS485总线。

9.根据权利要求8所述的移动式海上环境监测设备的监控系统，其特征在于，所述柴油发电机从控制单元包括：

第一柴油发电机从控制单元，与CAN总线连接；所述第一柴油发电机从控制单元还与第三RS485总线连接；第一柴油发电机从控制单元包括第一柴油发电机从控制器、第一进出水温度检测模块和第一流量计；

第二柴油发电机从控制单元，与CAN总线连接；所述第一柴油发电机从控制单元还与第三RS485总线连接；第二柴油发电机从控制单元包括第二柴油发电机从控制器、第二进出水温度检测模块和第二流量计；

所述第一柴油发电机从控制单元和第二柴油发电机从控制单元互为冗余设计。

10.一种移动式海上环境监测设备，其特征在于，包括：

如权利要求1-9中任意一项所述的移动式海上环境监测设备的监控系统；

太阳能光伏板，与所述监控系统连接；

风力发电机，与所述监控系统连接；

铅酸蓄电池组，与所述监控系统连接；

燃料电池组，与所述监控系统连接；

柴油发电机，与所述监控系统连接。

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