[发明专利]一种海洋观测浮标的控制系统及其控制方法

说明书

本发明涉及一种海洋观测浮标的控制系统及其控制方法。控制系统由中心控制器、北斗通讯设备、移动网络通讯设备、RS485总线、视觉航标灯、485协议集中器以及智能设备组成。中心控制器通过RS485和北斗通讯设备、移动网络通讯设备、视觉航标灯及485协议集中器相连，485协议集中器分别对应的智能设备相连。控制时，北斗通讯设备、移动网络通讯设备收到中心控制器报文后进行校验和检查；通过后，将时间和位置数据、报文数据回送到中心控制器进行解析。本发明通过RS485总线上的485协议集中器实现与不同接口、不同数据协议的智能化设备数据通讯，具有安装工艺简单、易于扩展、易于维护、通讯稳定等优点。

技术领域

本发明涉及海洋观测设备，具体涉及一种海洋观测浮标的控制系统及其控制方法。

背景技术

海洋科学是一门依赖于观测的学科，数据类型越丰富，越趋近真实情况。目前，随着海洋气象、海面表层、水体剖面以及海底观测等技术和定位技术、无线通讯技术发展，已经促进海洋数据获取方式从“考察”向“观测”转变，逐步实现对海洋多要素的实时监测。海洋观测浮标，这种无人值守的、实时监测海洋水文气象数据的自动观测装备，是开展海洋观测的最重要基础设施。

海洋观测浮标，通常是由太阳能和风能补给的、蓄电池供电的、一个主设备和多个从设备组成的分布式系统，这样组成有利于搭积木方式增加监测对象类型，有利于分门别类地进行能源管理，实现多样化、高精度、大范围的成套海洋观测浮标装置。国际上，Argo即全球海洋观测网，推出了Argo2020计划，规划了全球海洋观测网未来10年~20年持续发展的目标，即建成一个由2500个核心Argo浮标、1200个深海Argo浮标和1000个生物地球化学Argo浮标组成的一个综合的全球海洋立体实时观测网，在维持0米～2000米核心温度、盐度观测的同时，向深海和生物地球化学领域拓展。我国于2002年正式加入Argo计划，维持着一个由近100个浮标组成的中国Argo大洋观测网，是国际Argo计划中的重要成员国之一。2014年6月，国家海洋技术中心硕士论文《基于开放总线的水文气象数据采集接口的研究》针对海洋水文气象数据采集系统中传感器的数量较多，接线复杂、可扩展性差等问题，将开放总线技术引入到水文气象数据采集系统中，研究设计了基于SDI-12和NMEA2000总线的数据采集接口硬件与软件，具有可扩展性好（添加删除传感器对系统无影响）、接口简单（只需一个总线接口即可采集多个传感器数据）、接口协议可变（丰富了接口的功能，使其应用更广泛）等特点。文献CN103466046B发明了基于锚泊浮标的垂直剖面海流观测装置，包括支撑架体、固定夹及声学多普勒海流剖面仪，安装在锚泊浮标体的底部中心位置，受浮体晃动倾斜的角度较小，垂直剖面测流有较好的准确性。文献CN103770911B发明一种基于感应耦合和卫星通信技术的深海观测浮标系统，包括数据采集控制卫星通信分系统、岸站卫星通信分系统、供电分系统、浮标体分系统和系留分系统，采用变压器的原理，把水下包塑钢缆当做变压器的铁芯，把感应耦合连接器当做初级线圈，把水下各个数据传感器的中的线圈当做次级线圈，把感应耦合模块当做调制解调器，数据采集控制卫星通信器通过广播方式和水下各个传感器建立半双工的通信模式，实现水下数据实时采集；选择成熟的卫星通信系统，利用其提供的拨号服务，在深海浮标和用户数据中心之间建立实时、大数据量、稳定的通信链路，实现深海观测数据实时发送。文献CN105444742B发明基于浮标锚链的海洋要素垂直剖面观测装置及其观测方法，观测装置包括锚泊浮标及观测单元，锚泊浮标包括浮于海面上的浮标体、沉于海底的重力锚及连接于浮标体及重力锚之间的浮标锚链，浮标锚链上均布有多个由上至下设置的观测单元；观测单元包括锚链夹具、传感器放置笼及传感器设备，锚链夹具夹持在浮标锚链上，传感器放置笼与锚链夹具固接，在传感器放置笼内安装有传感器设备，通过各观测单元中的传感器设备实现海洋要素垂直剖面的观测；传感器设备定时启动自行观测并存储观测数据，定期取下观测设备读取数据，实现海洋要素垂直剖面的长期观测。文献CN103466044B发明了单点系留潜标观测装置，将潜标普遍采用分层布置多种或多个测量仪器进行垂直剖面测量的概念转变为由主浮体搭载单个或少数几个测量仪器，通过控制主浮体的升降来进行垂直剖面测量，并可定时可靠传输测量数据，结合了浮标、通用型潜标的优点，系统结构简单、成本低廉、布放方便。文献CN103840924B发明了基于北斗通信的海洋自主观测平台数据传输方法，采用多组通信模块平行传输数据和将数据分包压缩发送并利用多组通信模块优势补发丢失数据包的方式，实现大数据的实时传输、提高数据发送成功率和数据传输效率。文献CN108583788A公开了一种用于海洋科学试验和实时剖面观测的三锚式浮标及方法，浮标包括：三锚式浮标标体、剖面观测模块、海洋环境参数和标体自身姿态测量模块、数据采集控制模块、供电模块、通信模块、数据接收处理模块；数据采集控制模块根据海洋环境参数及自身姿态得到当前海况，并按不同海况要求控制绞车下方速度和剖面观测模块的数据采集发送给陆基站，实现在岸边对浮标布放海域进行长期、连续、定点、实时剖面观测。文献CN109405810A公开了一种海底原位实时观测系统及方法，包括海底观测总控系统、海面中继传输浮标系统、远程监控系统、水声通信机以及卫星通信机，可根据海洋观测和工程需求在海底观测平台中挂接不同海洋传感器，经水声通信、卫星通信传输至远程监控系统，实现观测点的多参数原位长期实时观测，同时可进行组网式观测。文献CN109895958A公开了一种极地实时通信-极地冰气界面观测浮标，可以观测大气与海冰、海冰与海水界面的环境数据、并自动将观测数据通过卫星发送至用户端。文献CN110104125A公开了一种海洋波浪观测浮标系统，浮标包括外壳、三轴加速度计、通信模块、存储器、定位模块、电池和MCU，通过三轴加速度计结合定位模块的数据，获得随海浪漂流的浮标的三维运动轨迹，积累足够数据后，能够掌握海域内的波高、波向以及波周期数据，完成观测任务。文献CN110203333A公开了一种基于北斗铱星双星通信的海-气耦合实时观测浮标系统，包括海-气耦合观测传感器单元，数据采集通信控制单元、锚定单元、浮标体平台、供电单元以及数据处理中心；采取北斗卫星系统传输对数据安全性要求较高，对通讯量要求较低的常规块体法海气通量、上层海流剖面和浮标运行状态参数；采取铱星系统传输通讯量要求较高的高频涡动相关和高分辨率海水皮表温剖面数据。文献CN104913859B发明了一种基于485总线的温深度探测装置、系统及方法，包括：基于485总线的温深度探测装置和上位机，利用485总线将温深度探测装置中采集的数据实时的上传至上位机，从而解决了需要通过探头下降时间估计海洋深度的问题，并且，对探头的下降速度及投放方式没有任何的限制。CN109050796A公开了一种海洋浮标监测系统，提供一种集各种指标于一体的海洋在线自动监测浮标系统，可获取近海常规水文、气象、水质、生物等指标数据。而且，浮标观测数据已从传统的风、温、湿、压观测扩展到波浪、盐、流、水质等，传感器数量类型繁多，接口多样包括模拟、脉冲、数字，《数字通信世界》2019年3月刊登了“基于双STM32的海洋浮标采集控制系统”，采用两个STM32组成主从单片机控制方式，以扩展对外接口，采集处理风速、风向、海水表面温度、空气温度、浮标报警信息；采样GPS定位、海浪波高、波周期、波向、海流等参数，并存储采样平均值到U盘，通过北斗卫星上传到岸站。