海洋表层拉格朗日测量数据采集系统

摘要

本发明公开了一种海洋表层拉格朗日测量数据采集系统，包括海面自由漂流的拉格朗日观测平台和岸基数据中心；海面自由漂流的拉格朗日观测平台包括位于海洋表层的漂流浮标；岸基数据中心包括卫星数据接收站、数据中心服务器、用户计算机，卫星数据接收站通过通讯卫星接收漂流浮标采集的数据并通过互联网或局域网传输到数据中心服务器，用户计算机通过互联网访问数据中心服务器内的数据库检索数据，实时监控漂流浮标的运行状态。本发明可以进行接收确认和数据补发等双向沟通功能，有利于提高漂流浮标数据传输成功率、漂流浮标观测效率和数据利用率，便于数据检索与数据共享，降低观测成本。

说明书

技术领域                                                                               

本发明涉及海洋通讯监测领域，具体是一套海洋表层拉格朗日测量数据采集系统。

背景技术

随着科学技术的进步，海洋自主观测平台获取的海洋要素数据向多样化、高精度、大范围方向发展，成为促进海洋观测实现三维实时观测的重要方式。其中利用拉格朗日法测流的海洋表层漂流浮标由于其设计简单、成本低廉便于大范围布放的特点得到广泛应用，该类浮标主要将位置数据信息通过卫星或近岸无线信号传输给相应数据接收端。目前用于这方面的定位系统有GPS、“北斗”、ARGOS等，卫星通信系统有ARGOS、铱星、“北斗”, 全球星等，上述通信系统均已开发出双向通讯模块，将其应用于海洋表层漂流浮标上，便于增强海洋观测的灵活性，提高海洋观测效率。

由于漂流浮标定位及数据传输易受海洋环境（海浪遮挡）影响，同时考虑到其低成本、长时间工作的设计要求，漂流浮标长期处于弱电弱信号状态。如何提高数据传输成功率成为一个重要的问题，对漂流浮标硬件和数据传输系统都提出新的设计要求。

目前国内外海洋表层漂流浮标应用广泛，建立起完整的海洋表层拉格朗日测量的数据采集系统，有利于提高数据利用率和数据检索效率，便于数据共享，进而降低观测成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一套海洋表层拉格朗日测量数据采集系统，以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

海洋表层拉格朗日测量数据采集系统，包括海面自由漂流的拉格朗日观测平台和岸基数据中心；所述海面自由漂流的拉格朗日观测平台包括漂流浮标，所述漂流浮标位于海洋表层；所述岸基数据中心包括卫星数据接收站、数据中心服务器、用户计算机，所述卫星数据接收站通过通讯卫星接收漂流浮标采集的数据并通过互联网或局域网传输到数据中心服务器，所述数据中心服务器包括数据库，所述用户计算机通过互联网访问数据中心服务器的数据库检索数据，实时监控漂流浮标的运行状态。

作为本发明进一步的方案：所述漂流浮标的内部模块包括单片机、定位模块、信息采集模块、供电模块、电源控制模块、存储模块、通讯模块、信号传输模块、磁感开关和控制端口，所述单片机通过集成控制电路板分别与定位模块、信息采集模块、供电模块、电源控制模块、存储模块、通讯模块、信号传输模块、磁感开关和控制端口集成连接。

作为本发明进一步的方案：所述用户计算机还通过数据中心服务器向漂流浮标下达控制指令，更改漂流浮标的工作模式；所述漂流浮标的工作模式包括定位模块、信息采集模块的工作周期和信号发射周期的分别设定。

作为本发明进一步的方案：所述漂流浮标内部的工作过程为：所述漂流浮标内部时钟按照最短计时周期唤醒单片机，所述单片机检测是否进入每日接收指令时间段、工作时间段或者发送时间段；若进入每日接收指令时间段，则单片机控制通信模块接收指令，否则按原设定工作模式工作，当通信模块在最短计时周期内收到新指令，则改变工作模式，并按新设定工作模式工作，否则按原设定工作模式工作；若达到工作时间段，则单片机依次控制定位模块和信息采集模块采集数据，完成数据压缩、存储任务，然后依据工作模式所设定的发送时间，完成数据发送，否则让系统休眠；若达到发送时间段，则由通信模块发送存储模块中的数据，然后清空存储模块中对应数据，控制供电模块让系统休眠，否则直接控制供电模块让系统休眠。

作为本发明进一步的方案：所述漂流浮标内部时钟的最短计时周期为5min。

作为本发明进一步的方案：所述的海洋表层拉格朗日测量数据采集系统的工作流程为：所述漂流浮标内置时钟计时，负责唤醒单片机；所述单片机读取指令采集数据，并将数据压缩存储，然后按照指令通过无线电向通信卫星发射数据；所采集的数据经通讯卫星传输，由卫星数据接收站接收，并通过互联网或局域网传输至数据中心服务器；所述数据中心服务器根据预设协议自动分析数据完整度，在确认收到完整数据后，该数据在漂流浮标内存中被删除，并进行之前未成功发送数据的补发过程，补发数据完整性被确认后，该数据在漂流浮标内存中被删除；所述数据中心服务器将接收到的完整数据解压、合并、分类存储入数据库，并实时将漂流浮标的位置显现在电子地图上；所述用户计算机通过互联网访问数据中心服务器的数据库检索、下载数据，并实时查看漂流浮标电池电量和位移状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用海洋表层拉格朗日漂流浮标作为海上自主观测平台定时采集和发送数据，经通讯卫星实时传输，由卫星数据接收站接收，再经网络传输至数据中心服务器；数据中心服务器确认数据完整度后向漂流浮标反馈，漂流浮标删除或补发数据；用户计算机通过互联网访问数据中心服务器并经上述流程的逆向过程向漂流浮标下达控制指令，调整漂流浮标工作模式；数据中心服务器建有数据库，可自主进行数据接收、处理、存储、显示，便于用户计算机检索数据并监控漂流浮标状态。本发明可以进行接收确认和数据补发等双向沟通功能，有利于提高漂流浮标数据传输成功率、漂流浮标观测效率和数据利用率，便于数据检索与数据共享，降低观测成本。

附图说明

图1是海洋表层拉格朗日测量数据采集系统的结构图；

图2是海洋表层拉格朗日测量数据采集系统的漂流浮标内部模块框图；

图3是海洋表层拉格朗日测量数据采集系统的漂流浮标内部电路连接图；

图4是海洋表层拉格朗日测量数据采集系统的漂流浮标的工作流程框图；

图5是海洋表层拉格朗日测量数据采集系统的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，海洋表层拉格朗日测量数据采集系统，包括海面自由漂流的拉格朗日观测平台和岸基数据中心；海面自由漂流的拉格朗日观测平台包括大量海洋表层漂流浮标，受到环境的限制，漂流浮标为弱电弱信号，且其卫星天线非常靠近海面，易受海浪和海流的影响；岸基数据中心包括卫星数据接收站、数据中心服务器、用户计算机，卫星数据接收站包括岸基天线及其配套设施、数据接收服务器、网络服务器及配套的数据传输和接收系统，通过通讯卫星接收漂流浮标所采集发送的数据并通过互联网或局域网传输到数据中心服务器，用户计算机可以通过互联网访问数据中心服务器的数据库检索数据，并可实时监控漂流浮标的运行状态，同时，用户计算机还可以通过数据中心服务器向漂流浮标下达控制指令，调整数据采样和传输模式。因此，本系统可以进行接收确认和数据补发等双向沟通功能。

请参阅图2，漂流浮标的内部模块包括单片机、定位模块、信息采集模块、供电模块、电源控制模块、存储模块、通讯模块、信号传输模块、磁感开关和控制端口等，信息采集模块包括温度传感器及其它传感器，单片机通过集成控制电路板分别与定位模块、信息采集模块、供电模块、电源控制模块、存储模块、通讯模块、信号传输模块、磁感开关和控制端口等集成连接，集成控制电路板上的控制电路以一定逻辑控制以上各组件。

单片机作为漂流浮标内部系统的核心，负责系统时序控制及指令发送，为优化本发明的实施效果，选用美国Silicon lab公司的C8051F系列单片机，此单片机技术成熟，工作电压范围宽，具备极低的功耗，可以通过控制电源控制模块给其它模块加断电，串口采用RS232串口；定位模块采用GPS定位模块，定位精度分别可达2.5米，可为系统内部时钟的校准提供精确绝对时间，该模块按照单片机时序指令进行定位并反馈位置信息至指定存储模块；温度传感器型号为DS18B20，测量范围在-10～+85℃范围以内的精度为±0.5℃，也可选用PT100温度传感器，精度可达±0.1℃；供电模块采用一组锂亚硫酰氯高能电池，额定电压为14.4V，可根据需要增加电池容量；通讯模块采用北斗FH-BI24型，具有双向通讯功能，具有北斗IC卡检测、自检、接收功率检测等功能，北斗模块与单片机之间的连接采用RS232的通讯方式。

请参阅图3，漂流浮标内部的电路包括开关稳压芯片U1、存储芯片U2、板对板连接器IC1、电源模块IC2、单片机IC3、集成电路IC4、连接器P1、连接器P2、通讯端口J1、接口J2、接口J4、接口J5和温度传感器接口J6；其中开关稳压芯片U1的型号为LM2678-ADJ，存储芯片U2的型号为24C512，板对板连接器IC1的型号为DF9-25P-1V，电源模块IC2的型号为KRB1203AS，单片机IC3选用C8051F系列单片机，可以是C8051F021，也可以是C8051F023，集成电路IC4的型号为MAX3222C，具体的电路连接方式如下：

单片机IC3的1脚与单片机IC3的3脚连接，单片机IC3的1脚通过100kΩ的电阻R8与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的2脚与单片机IC3的4脚连接，单片机IC3的2脚通过100kΩ的电阻R9接地，单片机IC3的5脚与GND端连接，单片机IC3的6脚与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的7脚与单片机IC3的8脚连接，单片机IC3的7脚为VREFA端，VREFA端通过47μF的电解电容C1、0.1μF的电容C2接地，其中电解电容C1、电容C2并联，单片机IC3的9脚为AIN0端，单片机IC3的10脚分别与单片机IC3的11脚、单片机IC3的12脚、单片机IC3的13脚、单片机IC3的14脚、单片机IC3的15脚、单片机IC3的16脚连接并通过47kΩ的电阻R12接地，单片机IC3的17脚通过30pF的电容C21接地，单片机IC3的17脚通过11.0592MHz的蜂鸣器Y1与单片机IC3的18脚连接，单片机IC3的18脚通过30pF的电容C22接地，单片机IC3的19脚与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的24脚与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的25脚与GND端连接，单片机IC3的32脚通过1kΩ的电阻R13、发光二极管D1与VCC3V3_1端连接，VCC3V3_1端通过0.1μF的电容C24、0.1μF的电容C25、0.1μF的电容C26、0.1μF的电容C27、0.1μF的电容C28接地，其中电容C24、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28并联，单片机IC3的36脚为EN端，单片机IC3的37脚为PDN端，单片机IC3的40脚与GND端连接，单片机IC3的41脚与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的43脚为WP端，单片机IC3的44脚为WA_TEMP端，单片机IC3的45脚为GPS_REST端，单片机IC3的46脚为ON/OFF端，单片机IC3的47脚为CTR3V3端，单片机IC3的48脚为RX2端，单片机IC3的49脚为TX2端，单片机IC3的50脚为RX1端，单片机IC3的51脚为TX1端，单片机IC3的52脚为SCL端，单片机IC3的53脚为SDA端，单片机IC3的54脚为RX0端，单片机IC3的55脚为TX0端，单片机IC3的56脚与GND端连接，单片机IC3的57脚与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的58脚与通讯端口J1的2脚连接，单片机IC3的59脚与通讯端口J1的3脚连接，单片机IC3的60脚与通讯端口J1的4脚连接，单片机IC3的61脚与通讯端口J1的5脚连接，通讯端口J1的1脚与VCC3V3_1端连接，通讯端口J1的3脚通过4.7kΩ的电阻R1与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的62脚通过47kΩ的电阻R5与VCC3V3_1端连接，单片机IC3的62脚通过0.1μF的电容C7接地；VCC3V3_1端通过发光二极管D2、2kΩ的电阻R20接地；

开关稳压芯片U1的1脚通过0.1μF的电容C3与开关稳压芯片U1的3脚连接，开关稳压芯片U1的1脚通过稳压二极管SS1接地，开关稳压芯片U1的1脚通过22μH的电感L1、470μF/50V的电解电容C4、0.1μF的电容C6接地，其中电解电容C4、电容C6并联，开关稳压芯片U1的1脚通过电感L1与VCC12V端连接，VCC12V端通过10kΩ的电阻R2、1kΩ的电阻R4接地，VCC12V端通过电阻R2与开关稳压芯片U1的6脚连接，开关稳压芯片U1的2脚与VIN端连接，VIN端分别与接口J2、接口J4连接，开关稳压芯片U1的2脚通过470μF/50V的电解电容C5接地，开关稳压芯片U1的4脚与GND端连接，开关稳压芯片U1的7脚与ON/OFF端连接，开关稳压芯片U1的7脚通过10kΩ的电阻R3接地；

板对板连接器IC1的3脚通过33Ω的电阻R6与TX0端连接，板对板连接器IC1的4脚通过33Ω的电阻R7与RX0端连接，板对板连接器IC1的5脚与板对板连接器IC1的9脚连接并接地，板对板连接器IC1的18脚、板对板连接器IC1的19脚、板对板连接器IC1的20脚、板对板连接器IC1的21脚、板对板连接器IC1的22脚分别与VCC12V端连接，VCC12V端通过0.1μF的电容C14、0.1μF的电容C15、0.1μF的电容C16、0.1μF的电容C17接地，其中电容C14、电容C15、电容C16、电容C17并联；VCC12V端通过发光二极管D3、2kΩ的电阻R21接地；

电源模块IC2的1脚与SYSPOW端连接，电源模块IC2的1脚与接口J5连接，电源模块IC2的1脚通过100μF/16V的电解电容C8、100μF/16V的电解电容C9、0.1μF的电容C10接地，其中电解电容C8、电解电容C9、电容C10并联，电源模块IC2的2脚接地，电源模块IC2的3脚与VCC3V3_1端连接，电源模块IC2的3脚通过100μF/16V的电解电容C11、100μF/16V的电解电容C12、0.1μF的电容C13接地，其中电解电容C11、电解电容C12、电容C13并联；集成电路IC4的1脚与EN端连接，集成电路IC4的2脚通过0.1μF的电容C19与集成电路IC4的4脚连接，集成电路IC4的3脚通过0.1μF的电容C20接地，集成电路IC4的5脚通过0.1μF的电容C18与集成电路IC4的6脚连接，集成电路IC4的7脚通过0.1μF的电容C23与集成电路IC4的18脚连接，集成电路IC4的18脚接地，集成电路IC4的13脚与TX1端连接，集成电路IC4的15脚与RX1端连接，集成电路IC4的16脚为RXD端，集成电路IC4的16脚通过100Ω的电阻R10与连接器P1的3脚连接，集成电路IC4的17脚为TXD端，集成电路IC4的17脚通过100Ω的电阻R11与连接器P1的2脚连接，连接器P1的1脚接地，集成电路IC4的19脚与VCC3V3_1端连接，集成电路IC4的19脚通过0.1μF的电容C29接地，集成电路IC4的20脚与PDN端连接；

存储芯片U2的1脚分别与存储芯片U2的2脚、存储芯片U2的4脚连接并接地，存储芯片U2的5脚为SDA端，存储芯片U2的5脚通过10kΩ的电阻R19、0.1μF的电容C30接地，存储芯片U2的6脚通过10kΩ的电阻R18、电容C30接地，存储芯片U2的7脚通过4.7kΩ的电阻R16、电容C30接地，存储芯片U2的8脚与VCC3V3_1端连接，存储芯片U2的8脚通过电容C30接地；SYSPOW端通过2MΩ的电阻R15、250kΩ的电阻R17接地，AIN0端通过电阻R17接地；VCC3V3_1端与场效晶体管Q1的D端连接，场效晶体管Q1的S端与VCC3V3_2端连接，场效晶体管Q1的G端通过1kΩ的电阻R23与CTR3V3端连接，CTR3V3端通过10kΩ的电阻R22与场效晶体管Q1的D端连接；

温度传感器接口J6的1脚接地，温度传感器接口J6的2脚与WA_TEMP端连接，温度传感器接口J6的2脚通过4.7kΩ的电阻R14与温度传感器接口J6的3脚连接，温度传感器接口J6的3脚与VCC3V3_2端连接；连接器P2的1脚与RX2端连接，连接器P2的2脚与TX2端连接，连接器P2的3脚VCC3V3_2端连接，连接器P2的4脚分别与连接器P2的6脚、连接器P2的7脚、连接器P2的8脚连接并接地，连接器P2的5脚与GPS_REST端连接。

漂流浮标的工作模式包括定位模块、信息采集模块工作周期和信号发射周期的分别设定。漂流浮标具有多种工作模式，可根据观测需要分别设定数据采集时间以及数据发送的周期。单片机预留有控制端口，通讯模块可实时双向通讯，因此可以使用两种方式调整漂流浮标的工作模式：一，在漂流浮标布放前通过数据线连接控制端口和计算机，预设工作模式；二，在漂流浮标投放以后，用户计算机访问数据中心服务器向漂流浮标下达新的控制指令，调整数据采样和传输模式。

请参阅图4，漂流浮标的工作逻辑包括接收指令时间段、工作时间段、发送时间段，具体的漂流浮标内部的工作流程为：漂流浮标内部时钟按照最短计时周期唤醒单片机，单片机进行检测，若进入每日接收指令时间段，则控制通信模块接收指令，否则按原设定工作模式工作；若通信模块在最短计时周期内收到新指令，则改变工作模式，并按新设定工作模式工作，否则按原设定工作模式工作；漂流浮标内的集成控制电路板依据设定的工作模式，由单片机进行检测，若达到工作时间段，则依次控制定位模块和信息采集模块采集数据，完成数据压缩、存储等任务，然后依据工作模式所设定的发送时间，完成数据发送，否则让系统休眠；漂流浮标内的集成控制电路板依据工作模式设定的发送时间，由单片机进行检测，若达到发送时间段，则由通信模块发送存储模块中的数据，然后清空存储模块中对应数据，控制供电模块让系统休眠，否则直接控制供电模块让系统休眠。

本发明实施例中，漂流浮标内部时钟的最短计时周期设置为5分钟；每日接收指令时间段设置为北京时间9点至10点；漂流浮标每日接收指令时间段与服务器发送操控指令时间段一致；用户计算机下达操控指令与服务器发送操控指令时间段可不同；系统休眠具体表现为除时钟计时和唤醒功能外其它功能模块断电，以节约电能。

请参阅图5，所述海洋表层拉格朗日测量数据采集系统的工作流程为：

漂流浮标内置时钟计时，负责唤醒单片机，后者读取指令采集数据，并将数据压缩存储，然后按照指令通过无线电向通信卫星发射数据，所采集的数据经通讯卫星传输，由卫星数据接收站接收，并通过互联网或局域网（北斗通讯系统直接由局域网）传输至数据中心服务器，数据中心服务器可以实时将漂流浮标位置实时显现在电子地图上，用户计算机可实时查看漂流浮标电池电量和位移状态。用户计算机通过互联网访问数据中心服务器的数据库检索数据，并可实时监控漂流浮标运行状态。

数据中心服务器利用不同接收程序接收推送来的不同类型漂流浮标的数据，根据预设协议自动分析数据完整度，数据中心服务器确认收到完整数据后，该数据在漂流浮标内存中被删除，并进行以前未成功发送数据的补发过程，补发数据完整性被确认后，该数据在漂流浮标内存中被删除，以此类推；在确认收到数据的完整性后，数据中心服务器将接收到的完整数据解压、合并、分类存储入数据库，具体表现为对应浮标类型、浮标编号、定位时间、布放区域、工作模式、工作状态等因素进行分类；如此一来，数据中心服务器内的数据库可归类存储数据，具备数据检索和可视化功能；数据中心服务器允许用户计算机通过互联网访问，查看、下载数据，监控漂流浮标运行状态，并且可以通过数据中心服务器控制界面对指定漂流浮标下达命令，数据中心服务器在漂流浮标接收指令时间段内经上述流程的逆向过程发送指令，变更漂流浮标工作模式。本发明实施例中，采用北斗系统通信，北斗天线接收到的数据以短报文格式传输到服务器，首先验证短报文发送终端的ID，根据数据中心服务器内预留信息确认对应的浮标号及其报文格式，检测报文长度，提取报文中数据采集时间、位置、水温、漂流浮标状态等信息存入数据库。

本发明利用海洋表层拉格朗日漂流浮标作为海上自主观测平台定时采集和发送数据，经通讯卫星实时传输，由卫星数据接收站接收，再经网络传输至数据中心服务器；数据中心服务器确认数据完整度后向漂流浮标反馈，漂流浮标删除或补发数据；用户计算机通过互联网访问数据中心服务器并经上述流程的逆向过程向漂流浮标下达控制指令，调整漂流浮标工作模式；数据中心服务器建有数据库，可自主进行数据接收、处理、存储、显示，便于用户计算机检索数据并监控漂流浮标状态。本发明可以进行接收确认和数据补发等双向沟通功能，有利于提高漂流浮标数据传输成功率、漂流浮标观测效率和数据利用率，便于数据检索与数据共享，降低观测成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。