本發(fā)明設(shè)計(jì)的是一種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，具體地說是一種能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度的海洋動(dòng)力進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸?shù)难b置。

背景技術(shù)：

海洋環(huán)境復(fù)雜多變，掌握海洋環(huán)境參數(shù)及其變化規(guī)律對(duì)于研究海洋經(jīng)濟(jì)以及海洋科技都有十分重要的意義。聲波作為水下信息的主要載體，其在海洋中的傳播與海洋動(dòng)力過程有著緊密的耦合關(guān)系，海水的溫度、壓力、鹽度和流速等因素影響聲波在水中的傳播速度，其中任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)導(dǎo)致聲速的變化。通過實(shí)現(xiàn)海洋區(qū)域環(huán)境聲場(chǎng)-動(dòng)力環(huán)境的同步觀測(cè)，掌握復(fù)雜海洋動(dòng)力環(huán)境下聲傳播規(guī)律，對(duì)提高水聲設(shè)備探測(cè)能力有極其重要的意義。

浮標(biāo)系統(tǒng)具有工作性能穩(wěn)定，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在海洋聲學(xué)環(huán)境探測(cè)方面有很大的發(fā)展空間。但傳統(tǒng)的浮標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作深度單一，水密性要求高，某個(gè)傳感器或接口故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鏈路崩潰，自容式存儲(chǔ)只能在回收后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力環(huán)境信息的實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)包括：通信浮標(biāo)下端懸掛耦合傳輸纜，耦合傳輸纜上端設(shè)置感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)接收環(huán)、下端設(shè)置感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)發(fā)送器、中間間隔布置溫深測(cè)量?jī)x與溫鹽深測(cè)量?jī)x，耦合傳輸纜下端通過卸扣懸掛聲學(xué)多普勒流速剖面儀及聲學(xué)多普勒流速剖面儀電池倉(cāng)，聲學(xué)多普勒流速剖面儀的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路通過水密饋線與感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)發(fā)送器連接，聲學(xué)多普勒流速剖面儀下端連接浮球，浮球下端設(shè)置轉(zhuǎn)環(huán)，轉(zhuǎn)環(huán)連接聲學(xué)釋放器，聲學(xué)釋放器通過起重吊環(huán)連接鋼纜和沉塊。

本發(fā)明的實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)還可以包括：

1、通信浮標(biāo)由浮標(biāo)標(biāo)體、鋰電池組、浮標(biāo)主控單元、感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)采集器、FGR2電臺(tái)、FGR2電臺(tái)天線和饋線組成，鋰電池組為浮標(biāo)提供13V的直流電壓，浮標(biāo)主控單元通過感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)采集器及感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)接收環(huán)與感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)發(fā)送器建立連接，以感應(yīng)耦合傳輸方式控制溫深測(cè)量?jī)x、溫鹽深測(cè)量?jī)x、聲學(xué)多普勒流速剖面儀實(shí)時(shí)上傳采集的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡，同時(shí)浮標(biāo)主控單元通過FGR2電臺(tái)以主從廣播方式實(shí)時(shí)響應(yīng)岸站的索取數(shù)據(jù)命令將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至岸站。

2、聲學(xué)多普勒流速剖面儀電池倉(cāng)由鋰電池組、聲學(xué)多普勒流速剖面儀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、聲學(xué)多普勒流速剖面儀支架和饋線組成，鋰電池組為聲學(xué)多普勒流速剖面儀及聲學(xué)多普勒流速剖面儀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路提供33V直流電壓，聲學(xué)多普勒流速剖面儀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去冗余處理，獲得224字節(jié)數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)通過耦合傳輸上傳至通信浮標(biāo)。

3、溫深測(cè)量?jī)x、溫鹽深測(cè)量?jī)x以5s采樣間隔對(duì)海水溫度、壓力、鹽度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)；聲學(xué)多普勒流速剖面儀以30s采樣間隔對(duì)海水25個(gè)流層流速進(jìn)行采集。

本發(fā)明的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在：

1、(1)通信浮標(biāo)系統(tǒng)采用垂直錨系結(jié)構(gòu)，可以監(jiān)測(cè)不同深度的海洋環(huán)境動(dòng)力參數(shù)；(2)通過感應(yīng)耦合傳輸方式及設(shè)計(jì)合理的通信協(xié)議，可以保證水下信息傳輸?shù)剿娓?biāo)實(shí)時(shí)性；(3)將無(wú)線通信命令響應(yīng)時(shí)間控制在200ms，可以保證水面浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨墩镜膶?shí)時(shí)性；(4)ADCP電池倉(cāng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，可以使其滿足長(zhǎng)續(xù)航的要求，減輕數(shù)據(jù)量過大對(duì)耦合傳輸?shù)膲毫Α?/p>

2、采用垂直錨系結(jié)構(gòu)，采集設(shè)備(TD/CTD/ADCP)通過SSM固定在耦合傳輸鋼纜上，TD/CTD的數(shù)量、間距等均可以方便地按需修改，為獲取最大的流速剖面深度，一般將ADCP置于浮標(biāo)最底端。通過浮球配重，可使浮標(biāo)系統(tǒng)處于豎直狀態(tài)，且通訊浮標(biāo)一半浮于水面，浮球下端的轉(zhuǎn)環(huán)可以避免耦合傳輸纜受到過大的徑向旋轉(zhuǎn)作用力。通過主控程序的合理設(shè)計(jì)，某個(gè)設(shè)備故障對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行無(wú)影響，有效提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3、利用感應(yīng)耦合傳輸方式，可以實(shí)時(shí)地將采集數(shù)據(jù)傳輸至浮標(biāo)主控單元；而合理設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，如對(duì)于上次傳輸未傳完的10min數(shù)據(jù)及因?yàn)樾诺罈l件欠佳等原因與岸站失聯(lián)而多存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行舍棄處理，每次只向岸站上傳最新的10min數(shù)據(jù)塊，可以保證傳輸?shù)桨墩镜臄?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

4、對(duì)無(wú)線通信命令(握手命令與索要數(shù)據(jù)命令)響應(yīng)時(shí)間控制在200ms，岸站每隔2個(gè)小時(shí)與浮標(biāo)握手一次，成功握手后以廣播方式每10min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)傳輸一半的數(shù)據(jù)塊以及非最近10min數(shù)據(jù)塊采取舍棄處理，可以確保數(shù)據(jù)傳輸至岸站是實(shí)時(shí)通信。

5、ADCP電池倉(cāng)可以解決ADCP功耗大與長(zhǎng)續(xù)航的矛盾。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，剔除冗余信息，以保證數(shù)據(jù)可以通過耦合傳輸及時(shí)上傳至水面通信浮標(biāo)。

經(jīng)過以上設(shè)計(jì)，可以保證該實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作30天以上。本發(fā)明的實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度的海洋動(dòng)力信息(溫度、壓力、深度、鹽度、海水流速等)進(jìn)行采集，存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸?shù)裙δ?。利用感?yīng)耦合技術(shù)與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，并且通過海面組網(wǎng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至岸站，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)時(shí)處理。

附圖說明

圖1是實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)示意圖。

圖2是浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

圖3是SD卡初始化流程圖。

圖4是實(shí)時(shí)耦合傳輸流程圖。

圖5是實(shí)時(shí)電臺(tái)傳輸流程圖。

圖6是浮標(biāo)主控單元整體工作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。

本發(fā)明的實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)主要包括溫深測(cè)量?jī)xTD、溫鹽深測(cè)量?jī)xCTD、聲學(xué)多普勒流速剖面儀ADCP、ADCP電池倉(cāng)、ADCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)發(fā)送器SSM、感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)采集器HEM、感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)接收環(huán)CCA、感應(yīng)耦合溫壓測(cè)量纜、浮標(biāo)標(biāo)體、浮標(biāo)主控單元、FGR2無(wú)線電臺(tái)、FGR2電臺(tái)天線、13V鋰電池組、聲學(xué)釋放器和錨塊。

圖1給出了實(shí)時(shí)傳輸海洋動(dòng)力參數(shù)浮標(biāo)系統(tǒng)各部分之間的連接關(guān)系，其中：1是通信浮標(biāo)、2是卸扣、3是ADCP及其電池倉(cāng)、4是浮球、5是轉(zhuǎn)環(huán)、6是聲學(xué)釋放器、7是起重吊環(huán)、8是鋼纜、9是沉塊。系統(tǒng)采用垂直錨系結(jié)構(gòu)，浮標(biāo)下端懸掛耦合傳輸纜，耦合傳輸纜上可按需求以任意間隔、數(shù)量安置TD1-16、CTD1-4。耦合傳輸纜下端通過卸扣懸掛ADCP及ADCP電池倉(cāng)，ADCP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路通過水密饋線與耦合傳輸纜最下端的SSM連接，ADCP下端是浮球，通過浮球配重，可使浮標(biāo)系統(tǒng)處于豎直狀態(tài)，且通訊浮標(biāo)一半浮于水面，浮球下端的轉(zhuǎn)環(huán)可以避免耦合傳輸纜受到過大的徑向旋轉(zhuǎn)作用力。

圖2給出了數(shù)據(jù)傳輸流程圖。通訊浮標(biāo)作為數(shù)據(jù)傳輸、控制的載體，其結(jié)構(gòu)包含電源、錨燈、電臺(tái)天線，內(nèi)部包含HEM、主控電路、電臺(tái)模塊。TD、CTD、ADCP根據(jù)所需采樣率及數(shù)據(jù)格式同時(shí)采集數(shù)據(jù)，其中ADCP數(shù)據(jù)首先傳輸至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路里，經(jīng)過去冗余后存儲(chǔ)至RAM。TD、CTD、ADCP的每個(gè)10min數(shù)據(jù)作為一個(gè)整體處理。浮標(biāo)主控電路通過耦合傳輸方式每隔10min依次向每個(gè)TD、CTD、ADCP索要上一個(gè)10min數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)至SD卡。岸站通過FGR2電臺(tái)以主從廣播通信方式每隔10min向浮標(biāo)索取一次數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。

圖3給出了SD卡初始化流程圖。SD用于存儲(chǔ)TD、CTD及ADCP采集的數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那疤?，故在SD卡初始化成功后，對(duì)SD卡第10000扇區(qū)寫入指定數(shù)據(jù)，然后讀取該扇區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)比讀取的數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)是否相同，以確保存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是正確的。若相同，則說明SD卡可正常進(jìn)行讀寫操作；若不同，需對(duì)SD卡重新初始化。

圖4給出了實(shí)時(shí)耦合傳輸流程圖。傳輸過程中，每個(gè)10min數(shù)據(jù)塊作為一個(gè)整體處理，浮標(biāo)主控單元需對(duì)每個(gè)SSM執(zhí)行實(shí)時(shí)耦合傳輸流程。該圖是浮標(biāo)主控單元向一個(gè)SSM獲取數(shù)據(jù)的流程：首先循環(huán)喚醒HEM直至成功；延時(shí)t1后連接SSM，在t2時(shí)間內(nèi)判斷是否連接成功，若連接失敗則重新連接，連續(xù)兩次均失敗則結(jié)束當(dāng)前SSM操作，連接下一個(gè)SSM，避免因某個(gè)SSM故障對(duì)整個(gè)鏈路穩(wěn)定性造成影響；連接成功后，延時(shí)t3并發(fā)送取數(shù)命令，在t4時(shí)間內(nèi)判斷取數(shù)指令是否響應(yīng)，若失敗，則重新發(fā)送取數(shù)命令，連續(xù)兩次失敗則結(jié)束操作；取數(shù)指令正確響應(yīng)后接收數(shù)據(jù)，在t5時(shí)間內(nèi)判斷數(shù)據(jù)接收是否正確，若不正確，則重新發(fā)送取數(shù)命令并判斷是否響應(yīng)；數(shù)據(jù)接收正確后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后延時(shí)t6時(shí)間并發(fā)送退出模式命令，在t7時(shí)間內(nèi)判斷是否則退出成功，若失敗，則重新發(fā)送；退出模式成功后，延時(shí)t8并關(guān)閉通道，至此，完成了對(duì)一個(gè)SSM的取數(shù)操作。

圖5給出了實(shí)時(shí)電臺(tái)傳輸流程圖。對(duì)岸站電臺(tái)命令的響應(yīng)集成到一個(gè)函數(shù)內(nèi)，具體流程如下：先判斷岸站是否發(fā)來(lái)命令，若有命令則進(jìn)行接收；判斷接收的命令是否為握手請(qǐng)求命令，若是則回復(fù)握手響應(yīng)命令，否則判斷是否是索要數(shù)據(jù)命令，若是，且上個(gè)10min數(shù)據(jù)完成了耦合傳輸并存儲(chǔ)于SD卡，則從SD卡取出數(shù)據(jù)回并回復(fù)岸站，否則回復(fù)空數(shù)據(jù)包以示數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好。

圖6給出了浮標(biāo)主控單元整體工作流程圖。在主控單元配置好時(shí)鐘、串口、開啟中斷后，進(jìn)行SD卡的初始化流程，SD卡初始化成功后進(jìn)入死循環(huán)：循環(huán)判斷上一個(gè)10min數(shù)據(jù)塊是否采集完成，若上一個(gè)10min采集完成則通過耦合傳輸向SSM索取數(shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)至SD卡中，全部傳輸完畢后等待下一個(gè)10min數(shù)據(jù)塊采集完成；若上一個(gè)10min采集未完成，則等待采集完成。對(duì)于MCU，若中斷處理的工作較多，容易造成系統(tǒng)死機(jī)，且通信協(xié)議要求數(shù)據(jù)往返時(shí)間不得大于200ms，所以在這個(gè)耦合傳輸?shù)乃姥h(huán)里，在每間隔30ms的代碼后加入實(shí)時(shí)電臺(tái)傳輸流程(函數(shù))，類似于看門狗喂狗操作。

本發(fā)明中的實(shí)時(shí)傳輸包含兩方面：一是海洋動(dòng)力參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，即傳到岸站的數(shù)據(jù)是最近十分鐘的；二是無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，即對(duì)于岸站每次發(fā)來(lái)的命令，都以200ms以內(nèi)的往返時(shí)間做出回應(yīng)。

最后，本發(fā)明通過將感應(yīng)耦合傳輸與無(wú)線電臺(tái)傳輸相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了海洋動(dòng)力參數(shù)的實(shí)時(shí)傳輸。