專(zhuān)利名稱(chēng)：近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別是一種近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)近海海洋躍層水體部分的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)等。
背景技術(shù)：
躍層是海洋中最常見(jiàn)也是最重要的物理現(xiàn)象之一，它控制著其上下水層間的熱、鹽等水體物理性質(zhì)的垂向通量，是內(nèi)波存在的必要條件。在生物地球化學(xué)過(guò)程中，它制約著水體中化學(xué)物質(zhì)的垂向交換，這一過(guò)程進(jìn)一步影響和決定著海洋生物過(guò)程的變化，并通過(guò)食物鏈影響整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)。因此，躍層對(duì)于海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響是直接而顯著的，很多生物化學(xué)現(xiàn)象和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的存在都與之有關(guān)，如海洋次表層葉綠素最大值、近海季節(jié)性底層缺氧現(xiàn)象等。所以，了解水體層化及其發(fā)展情況是我們分析、預(yù)測(cè)這些生態(tài)現(xiàn)象形成、發(fā)展和變化的重要基礎(chǔ)背景。海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)是現(xiàn)今世界上最有效實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)的測(cè)量方式，衛(wèi)星、無(wú)線電、手機(jī)等通訊技術(shù)的快速發(fā)展，建立實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越多地成為海洋科學(xué)考察的首選方案。但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從海洋表面發(fā)送至陸地前，首先需要將數(shù)據(jù)從水下實(shí)時(shí)傳輸至海面，現(xiàn)有的近海實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要集中在海水表層，不管是國(guó)際上還是我國(guó)已有的近海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)海表以下水體的實(shí)時(shí)觀測(cè)極少涉及，特別是海洋監(jiān)測(cè)遭受漁業(yè)拖網(wǎng)嚴(yán)重破壞的我國(guó)近海迄今還未有有效的監(jiān)測(cè)手段。鑒于現(xiàn)有技術(shù)的監(jiān)測(cè)手段和水平，針對(duì)近海海洋躍層水體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，須具備以下特點(diǎn):(1)使用安全和方便，盡量使用無(wú)線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)；易于安裝于浮標(biāo)系留中。
(2)功耗低，系統(tǒng)需工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；(3)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確安全，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是我們了解、研究海洋現(xiàn)象的基礎(chǔ)條件，而且須確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全。CN1744143A《一種海洋水域傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》，公開(kāi)了一種基于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它的使用范圍局限于海水表層，未涉及海洋水下特別是底層的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和傳輸。CN101358867A《一種海洋水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》，公開(kāi)了一種包括海底信號(hào)采集部分、海面信號(hào)中轉(zhuǎn)部分及岸站控制部分的海洋水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將海洋底層水位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸及信號(hào)中轉(zhuǎn)方式實(shí)時(shí)發(fā)送至岸站的，它只涉及海洋底層單個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，難以應(yīng)用于多參數(shù)測(cè)量、浮標(biāo)系留結(jié)構(gòu)條件下的監(jiān)測(cè)。CN101852794《一種近海海洋底層缺氧現(xiàn)象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》公開(kāi)了一種海洋底層多參數(shù)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于對(duì)海洋底層缺氧現(xiàn)象的檢測(cè)。其存在以下缺陷:1、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成的數(shù)字量傳感器數(shù)量多，為了降低故障率，各個(gè)數(shù)字量傳感器之間的電源和信號(hào)都相互隔離。電源隔離采用IB10.805S的隔離電源，信號(hào)隔離采用光耦4N25進(jìn)行隔離。由于處理器的UART 口不夠用，采用SC16IS762雙路SPI傳輸總線驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行數(shù)字量傳感器的集成，而沒(méi)有采用處理器的UART 口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。由于信號(hào)隔離采用了光耦4N25進(jìn)行隔離，由于光耦的傳輸特性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔灰诉^(guò)快。2、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站處理器采用LPC2138芯片，采用CAT809復(fù)位芯片，當(dāng)工作電壓波動(dòng)過(guò)大，影響系統(tǒng)工作時(shí)，此芯片不能自動(dòng)復(fù)位的作用，影響系統(tǒng)可靠地工作。3、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源模塊采用的方法是增加一套外設(shè)電源控制電路，由處理器對(duì)電源的通斷進(jìn)行控制。傳感器之間的電源需要相互隔離，采用的方法是采用隔離電源進(jìn)行供電。電路板的布局采用電源模塊和其他電路共同放在一塊電路板上。這樣系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性不高，也不便于系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展以及故障的檢查。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在海面水聲通訊機(jī)借助浮標(biāo)或船只搭載的基礎(chǔ)上，有能力在陸地上準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取近海躍層水體的海水環(huán)境條件數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)集成了水聲通信和感應(yīng)耦合通訊兩種水下無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得它與已有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，具有更安全更方便更經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案:近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站、水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站、水聲通訊分站和供電分站；
所述的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站包括三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊和一個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器集成模塊、一個(gè)模擬量傳感器集成模塊，水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站包括數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，水聲通訊分站包括躍層水聲通訊機(jī)、海面水聲通訊機(jī)，供電分站包括電池包、電源模塊和供電接口 ；
所述的數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)處理器晶振電路、數(shù)據(jù)處理器復(fù)位監(jiān)測(cè)電路，數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)與RS485驅(qū)動(dòng)芯片、模擬量傳感器集成模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊相連接，供電分站通過(guò)供電接口與水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站連接；
所述的水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站控制水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站和水聲通訊分站的運(yùn)行，水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站通過(guò)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器集成模塊對(duì)三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊以感應(yīng)耦合方式順序掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、融合、存儲(chǔ)，并運(yùn)用自定義的方法對(duì)融合后數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，把加密后的數(shù)據(jù)包發(fā)送給水聲通訊分站的躍層水聲通訊機(jī)，躍層水聲通訊機(jī)在水聲通訊環(huán)境適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，把數(shù)據(jù)包從躍層傳輸至海面水聲通訊機(jī)；供電分站給水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站供電；
所述的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站通過(guò)三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)三個(gè)水體深度的水質(zhì)各個(gè)參數(shù)的采樣，一個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器集成模塊負(fù)責(zé)集中采集三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊傳遞的水質(zhì)各個(gè)參數(shù)，通過(guò)RS485接口、RS485驅(qū)動(dòng)芯片與數(shù)據(jù)處理器的UARTO相連；
所述的一個(gè)模擬量傳感器集成模塊為分站電源電壓模擬信號(hào)集成模塊，分站電源電壓模擬信號(hào)集成模塊使用電池包分壓電路，通過(guò)供電接口接數(shù)據(jù)處理器的模擬信號(hào)采集腳；所述的數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器C8051F064、數(shù)據(jù)處理器復(fù)位監(jiān)測(cè)電路、數(shù)據(jù)處理器晶振電路，數(shù)據(jù)處理器的晶振腳兩端接晶振和電容C5、C6，C8051F064采用3.3V的數(shù)字電源供電，C8051F064的復(fù)位腳接復(fù)位芯片TPS3707-30D ；
所述的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電池和實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振電路； 數(shù)據(jù)處理器C8051F064的SCL腳接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的SCL腳，數(shù)據(jù)處理器C8051F064的SDA腳接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的SDA腳，通過(guò)IIC總線方式傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的VCC腳接鋰電池，使系統(tǒng)在斷電的情況下，實(shí)時(shí)時(shí)鐘仍然工作在計(jì)時(shí)狀態(tài)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的Xl和X2引腳接晶振；
所述的數(shù)據(jù)處理器的IIC總線連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片；數(shù)據(jù)處理器的SPI總線連接外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)處理器的RST腳連復(fù)位監(jiān)測(cè)電路；數(shù)據(jù)處理器的仿真端口連接仿真調(diào)試接口 ；所述的供電模塊的電源模塊分為模擬電源電路模塊和數(shù)字電源電路模塊，所述的模擬電源電路模塊和數(shù)字電源電路模塊的3.3V和OV分別通過(guò)磁珠連接；
所述的模擬電源電路模塊和數(shù)字電源電路模塊從電池包取電，通過(guò)5V變壓芯片、3.3V變壓芯片和土 15V變壓芯片為水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站供電，5V變壓芯片的輸入端從電池包接口取電，并接旁路電容，輸出端接濾波電容，輸出電壓為5V;3.3V變壓芯片的輸入端接5V變壓芯片的輸出端，并接濾波電容，輸出電壓為3.3V，輸出端接濾波電容；±15V變壓芯片的輸入端接5V變壓芯片的輸出端，±15V變壓芯片的輸出端的+15V端接兩個(gè)濾波電容，-15V端接兩個(gè)濾波電容，地端接模擬電源的地；
外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊采用SD存儲(chǔ)卡，RS485驅(qū)動(dòng)芯片采用MAX485芯片，復(fù)位監(jiān)測(cè)電路采用TPS3707-30D芯片，仿真調(diào)試接口采用標(biāo)準(zhǔn)20腳的JTAG仿真調(diào)試接口，電池包的電池電壓為14V，5V變壓芯片采用78L05，3.3V變壓芯片采用G1117，±15V的變壓芯片采用NROT15。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
1.與CN101852794監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本發(fā)明數(shù)字量傳感器集成采用感應(yīng)耦合無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，這樣在設(shè)計(jì)和布局上減少了有線電纜，從而極大地提高了其在浮標(biāo)系統(tǒng)中工作的安全性和穩(wěn)定性，再通過(guò)與水聲通訊機(jī)的結(jié)合，使得它能很好的應(yīng)用于多參數(shù)測(cè)量、浮標(biāo)系留結(jié)構(gòu)條件下的監(jiān)測(cè)。而現(xiàn)有的其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還未有能夠適應(yīng)這一多參數(shù)測(cè)量、浮標(biāo)系留結(jié)構(gòu)的應(yīng)用條件。2.與CN101852794監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字量傳感器的數(shù)據(jù)傳輸采用485通訊方式，485具有傳輸距離遠(yuǎn)，接收靈敏度高，抗干擾性能好，組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。3.與CN101852794監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)位監(jiān)測(cè)電路改用以TPS3707-30D芯片為主的電路，相比CAT809芯片，此芯片更加可靠，穩(wěn)定，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作電壓的作用，當(dāng)工作電壓波動(dòng)過(guò)大，影響系統(tǒng)工作時(shí)，此芯片具有自動(dòng)復(fù)位的作用，使系統(tǒng)更加可靠地工作。4.與CN101852794監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本發(fā)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模擬量傳感器的信號(hào)改用集成運(yùn)算放大器為主的檢測(cè)電路，此檢測(cè)電路輸入電阻大，輸出電阻低，共模抑制比高，失調(diào)與飄移小，能更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確地采集模擬量傳感器的信號(hào)。5.與CN101852794監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本專(zhuān)利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源模塊單獨(dú)采用一塊電路板，它與主控制板通過(guò)接口相連，這樣使電源模塊與控制模塊分開(kāi)，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，也便于系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展以及故障的檢查。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2為圖1中實(shí)施例的數(shù)字量傳感器集成模塊與水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站連接框圖。
圖3為圖1中實(shí)施例的模擬量傳感器集成模塊與水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站連接框圖。圖4為圖1中水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站的處理器最小系統(tǒng)電路圖。圖5為圖1中水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站的SD存儲(chǔ)卡SPI傳輸總線驅(qū)動(dòng)電路圖。圖6為圖1中水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖。圖7為圖1中實(shí)施例的水聲通訊分站與水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站連接框圖。圖8為圖1中實(shí)施例的電源供電電路圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。參見(jiàn)圖1，實(shí)施例一種近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站a、水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b、水聲通訊分站c和供電分站d。水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站a包括數(shù)字量傳感器集成模塊和模擬量傳感器集成模塊，其中，數(shù)字量傳感器集成模塊設(shè)置三個(gè)不同深度的感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器模塊和一個(gè)感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器集成模塊；模擬量傳感器集成模塊設(shè)置分站電源電壓模擬信號(hào)集成模塊。其感應(yīng)式數(shù)字量傳感器集成模塊負(fù)責(zé)對(duì)水質(zhì)各個(gè)參數(shù)的采樣，模擬量傳感器集成模塊負(fù)責(zé)對(duì)電池包電源電壓采集。水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b包括數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)1、外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊2、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路16、RS485驅(qū)動(dòng)芯片12和RS485驅(qū)動(dòng)芯片15。水聲通訊分站c包括躍層水聲通訊機(jī)10和海面水聲通訊機(jī)11。數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)I通過(guò)RS485驅(qū)動(dòng)芯片15與數(shù)字量傳感器集成模塊相連；數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)I通過(guò)模擬信號(hào)接收腳與模擬量傳感器集成模塊相連；數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)I通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳輸總線3與外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊2相連；數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)I通過(guò)RS485驅(qū)動(dòng)芯片12與躍層水聲通訊機(jī)10相連接；
實(shí)施例數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)I的數(shù)據(jù)處理器采用C8051F064芯片，現(xiàn)場(chǎng)傳輸總線3采用SPI傳輸總線，外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊2采用SD存儲(chǔ)卡，現(xiàn)場(chǎng)傳輸總線4采用485總線，現(xiàn)場(chǎng)傳輸總線18為IIC總線。數(shù)字量傳感器集成模塊通過(guò)485總線方式同水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b通訊。水聲監(jiān)測(cè)分站通過(guò)485總線方式同水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b通訊，本實(shí)施例采用485總線傳輸，也可以選用422、232總線傳輸。水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b控制水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站a和水聲通訊分站c的運(yùn)行，供電分站d負(fù)責(zé)給水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站a供電。水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站a的數(shù)字量和模擬量傳感器以順序掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、融合、存儲(chǔ)，并運(yùn)用自定義的方法對(duì)融合后數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，把加密后的數(shù)據(jù)包通過(guò)485總線4發(fā)送給水聲通訊分站C，水聲通訊分站c在水聲通訊環(huán)境適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，把數(shù)據(jù)包從水體躍層位置傳輸至海面。實(shí)施例水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站a結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2 3。如圖2所示，水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站的數(shù)字量傳感器集成模塊通過(guò)RS485接口，RS485驅(qū)動(dòng)芯片與數(shù)據(jù)處理器C8051F064相連。實(shí)施例RS485驅(qū)動(dòng)芯片15采用MAX485芯片，R3、R4、R5的作用是在沒(méi)有信號(hào)時(shí)保證485差分信號(hào)線上至少有一定的壓差，避免接受端產(chǎn)生誤碼；Dl、D2是為了防止電路里的電壓差發(fā)生突變時(shí)起保護(hù)作用。如圖3所示，模擬量傳感器集成模塊由電池包分壓電路組成，檢測(cè)的電源電壓從電池包兩端取電，當(dāng)數(shù)據(jù)處理器C8051F064處于工作模式下才進(jìn)行電壓檢測(cè)。數(shù)據(jù)處理器C8051F064的檢測(cè)電壓范圍為O 3.3V，而輸入電壓為14V，故采用分壓電路進(jìn)行分壓，再把合適的電壓輸入到數(shù)據(jù)處理器C8051F064的模擬信號(hào)腳進(jìn)行采集。其中R9、RlO起分壓作用，集成運(yùn)算放大器OP07、電阻R6起分壓作用，C4起濾掉檢測(cè)環(huán)境中的高頻干擾信號(hào)用。實(shí)施例水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖4 6。如圖4所示，處理器最小系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器C8051F064，數(shù)據(jù)處理器的晶振腳兩端接晶振和電容C5、C6。C8051F064采用3.3V的數(shù)字電源供電。C8051R)64的復(fù)位腳接復(fù)位芯片TPS3707-30D，該復(fù)位芯片具有電壓監(jiān)測(cè)作用，當(dāng)供電電壓偏低時(shí)，具有自動(dòng)復(fù)位的作用。外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊SD存儲(chǔ)卡的SPI傳輸總線驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊SD卡的D0、DI兩個(gè)端口分別連接上拉電阻R13、R12至數(shù)據(jù)處理器C8051F064的VDD腳，S卩+3.3V,使SD存儲(chǔ)卡工作于SPI模式下，SD卡的DO、DI兩腳亦分別對(duì)應(yīng)與數(shù)據(jù)處理器C8051F064的MIS0、M0SI引腳連接；SD卡的SPI傳輸總線采用4線制，連接到數(shù)據(jù)處理器LPC2148的SPI端口，即SD卡的CLK腳與數(shù)據(jù)處理器C8051F064的SCK引腳連接；SD卡的CS腳連接數(shù)據(jù)處理器C8051F064的P3.7引腳進(jìn)行片選。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖如圖6所示，數(shù)據(jù)處理器C8051F064的SCL腳接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的SCL腳，數(shù)據(jù)處理器C8051F064的SDA腳接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的SDA腳，通過(guò)IIC總線方式傳輸數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的VCC腳接鋰電池，使系統(tǒng)在斷電的情況下，實(shí)時(shí)時(shí)鐘仍然工作在計(jì)時(shí)狀態(tài)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的Xl和X2引腳接晶振。水聲通訊通訊分站c連接參見(jiàn)圖7。躍層水聲通訊機(jī)通過(guò)RS485接口，RS485驅(qū)動(dòng)芯片與數(shù)據(jù)處理器C8051F064相連。實(shí)施例RS485驅(qū)動(dòng)芯片12采用MAX485芯片，R16、R17、R18的作用是在沒(méi)有信號(hào)時(shí)保證485差分信號(hào)線上至少有一定的壓差，避免接受端產(chǎn)生誤碼；D3、D4是為了防止電路里的電壓差發(fā)生突變時(shí)起保護(hù)作用。電源供電電路圖接口參見(jiàn)圖8。5V變壓芯片的輸入端從電池包接口取電，并接旁路電容，輸出端接濾波電容，輸出電壓為5V ；3.3V變壓芯片的輸入端接5V變壓芯片的輸出端，并接濾波電容，輸出電壓為
3.3V，輸出端接濾波電容。土 15V變壓芯片的輸入端接5V變壓芯片的輸出端，土 15V變壓芯片的輸出端的+15V端接兩個(gè)濾波電容，-15V端接兩個(gè)濾波電容，地端接模擬電源的地。5V變壓芯片采用78L05，3.3V變壓芯片采用G1117，±15V變壓芯片采用NROT15。實(shí)際使用時(shí)，近海躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)耐壓、水密包裝后布放于監(jiān)測(cè)海域水體躍層位置，其中只有海面水聲通訊機(jī)11布放于海表面，一般由浮標(biāo)或船只作為它的支撐平臺(tái)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)字量傳感器集成模塊中的感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器6、感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器
7、感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器8測(cè)量躍層位置的海水水深、溫度、電導(dǎo)率、溶解氧和葉綠素?cái)?shù)據(jù)。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將近海海洋躍層水質(zhì)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)完整而準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)傳輸至海面。整個(gè)近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理如下:
水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b控制水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站a和水聲通訊分站c的運(yùn)行，進(jìn)行以下工作流
程:CD利用讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302的時(shí)間值對(duì)工作時(shí)間和休眠時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)控制；@控制各數(shù)字量和模擬量傳感器集成模塊的工作，采集、處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；@控制躍層水聲通
訊模塊進(jìn)行水聲通訊條件判斷，判斷合格情況下把采集數(shù)據(jù)從躍層位置傳輸至海面。按照系統(tǒng)工作流程，設(shè)定本實(shí)施方案的初始工作頻率為一小時(shí)一次。水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站b利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302進(jìn)行計(jì)時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302 —直處于計(jì)時(shí)狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定工作時(shí)刻到來(lái)時(shí)，水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站數(shù)據(jù)處理器C8051F064從掉電模式喚醒到工作模式，采用485總線同感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器集成模塊通訊，采用ASCII格式，發(fā)送“fcl”命令把感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器集成模塊和三個(gè)感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器從待機(jī)狀態(tài)觸發(fā)到接收命令狀態(tài)，再發(fā)送“#01cjsl”命令使感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器6開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)送“#02cjsl”命令使感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器7開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)送“#03cjsl”命令使感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器8開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量好之后，感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器6、感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器7、感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器8的數(shù)據(jù)按順序以感應(yīng)耦合通訊方式發(fā)送水質(zhì)儀傳感器集成模塊，并打包后，通過(guò)485總線通訊發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器C8051F064，數(shù)據(jù)處理器C8051F064通過(guò)查詢(xún)或中斷模式從串行口數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否合理，數(shù)據(jù)不合理則使感應(yīng)式水質(zhì)儀傳感器集成模塊重新測(cè)量；接著，數(shù)據(jù)處理器C8051F064通過(guò)查詢(xún)或中斷的方式讀取模塊電壓值。監(jiān)測(cè)控制主站b數(shù)據(jù)處理器C8051F064獲取了所有儀器測(cè)量數(shù)據(jù)后，檢查判斷其中的水溫溫度值，當(dāng)水溫溫度變化超過(guò)rc /小時(shí)時(shí)，重新初始化實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，改變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作頻率至半小時(shí)一次，當(dāng)水溫溫度變化不超過(guò)rc /小時(shí)時(shí)，則恢復(fù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作頻率在一小時(shí)一次。隨后，數(shù)據(jù)處理器C8051F064對(duì)獲取的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、按序排列，融合組成一個(gè)數(shù)據(jù)包后存儲(chǔ)至SD存儲(chǔ)卡2。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理器C8051F064對(duì)融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義的加密算法，再把加密后的數(shù)據(jù)包發(fā)送給躍層水聲通訊機(jī)10之前，數(shù)據(jù)處理器C8051F064先向躍層水聲通訊機(jī)10發(fā)送“檢測(cè)”命令，海底水聲通訊機(jī)10返回檢測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)顯示周?chē)暛h(huán)境有利于數(shù)據(jù)水聲傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)處理器C8051F064將加密后的水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送至躍層水聲通訊機(jī)10，它再將數(shù)據(jù)傳輸至海面水聲通訊機(jī)11 ;如果數(shù)據(jù)顯示周?chē)暛h(huán)境不利于數(shù)據(jù)水聲傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)處理器C8051F064將每隔5分鐘命令躍層水聲通訊機(jī)10 “檢測(cè)” 一次，直到將加密后的水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)送至躍層水聲通訊機(jī)10或下一工作時(shí)刻的來(lái)臨。數(shù)據(jù)處理器I完成單次工作后，使自己重新處于掉電狀態(tài)，利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘等待下一個(gè)工作時(shí)刻。雖然本發(fā)明已以實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，任何熟悉該項(xiàng)技術(shù)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍內(nèi)所作的更動(dòng)與潤(rùn)飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站、水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站、水聲通訊分站和供電分站； 所述的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站包括三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊和一個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器集成模塊、一個(gè)模擬量傳感器集成模塊，水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站包括數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，水聲通訊分站包括躍層水聲通訊機(jī)、海面水聲通訊機(jī)，供電分站包括電池包、電源模塊和供電接口 ； 所述的數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)處理器晶振電路、數(shù)據(jù)處理器復(fù)位監(jiān)測(cè)電路，數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)與RS485驅(qū)動(dòng)芯片、模擬量傳感器集成模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊相連接，供電分站通過(guò)供電接口與水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站連接； 所述的水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站控制水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站和水聲通訊分站的運(yùn)行，水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站通過(guò)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器集成模塊對(duì)三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊以感應(yīng)耦合方式順序掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、融合、存儲(chǔ)，并運(yùn)用自定義的方法對(duì)融合后數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，把加密后的數(shù)據(jù)包發(fā)送給水聲通訊分站的躍層水聲通訊機(jī)，躍層水聲通訊機(jī)在水聲通訊環(huán)境適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，把數(shù)據(jù)包從躍層傳輸至海面水聲通訊機(jī)；供電分站給水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站供電； 所述的水質(zhì)監(jiān)測(cè)分站通過(guò)三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)三個(gè)水體深度的水質(zhì)各個(gè)參數(shù)的采樣，一個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器集成模塊負(fù)責(zé)集中采集三個(gè)感應(yīng)式數(shù)字量傳感器模塊傳遞的水質(zhì)各個(gè)參數(shù)，通過(guò)RS485接口、RS485驅(qū)動(dòng)芯片與數(shù)據(jù)處理器的UARTO相連； 所述的一個(gè)模擬量傳感器集成模塊為分站電源電壓模擬信號(hào)集成模塊，分站電源電壓模擬信號(hào)集成模塊使用電池包分壓電路，通過(guò)供電接口接數(shù)據(jù)處理器的模擬信號(hào)采集腳；所述的數(shù)據(jù)處理器最小系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理器C8051F064、數(shù)據(jù)處理器復(fù)位監(jiān)測(cè)電路、數(shù)據(jù)處理器晶振電路，數(shù)據(jù)處理器的晶振腳兩端接晶振和電容C5、C6，C8051F064采用3.3V的數(shù)字電源供電，C8051F064的復(fù)位腳接復(fù)位芯片TPS3707-30D ；所述的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電池和實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振電路；數(shù)據(jù)處理器C8051F064的SCL腳接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的SCL腳，數(shù)據(jù)處理器C8051F064的SDA腳接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的SDA腳，通過(guò)IIC總線方式傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的VCC腳接鋰電池，使系統(tǒng)在斷電的情況下，實(shí)時(shí)時(shí)鐘仍然工作在計(jì)時(shí)狀態(tài)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的Xl和X2引腳接晶振； 所述的數(shù)據(jù)處理器的IIC總線連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片；數(shù)據(jù)處理器的SPI總線連接外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)處理器的RST腳連復(fù)位監(jiān)測(cè)電路；數(shù)據(jù)處理器的仿真端口連接仿真調(diào)試接口 ；所述的供電模塊的電源模塊分為模擬電源電路模塊和數(shù)字電源電路模塊，所述的模擬電源電路模塊和數(shù)字電源電路模塊的3.3V和OV分別通過(guò)磁珠連接； 所述的模擬電源電路模塊和數(shù)字電源電路模塊從電池包取電，通過(guò)5V變壓芯片、3.3V變壓芯片和±15V變壓芯片為水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制主站供電，5V變壓芯片的輸入端從電池包接口取電，并接旁 路電容，輸出端接濾波電容，輸出電壓為5V ；3.3V變壓芯片的輸入端接5V變壓芯片的輸出端，并接濾波電容，輸出電壓為3.3V，輸出端接濾波電容；土 15V變壓芯片的輸入端接5V變壓芯片的輸出端，±15V變壓芯片的輸出端的+15V端接兩個(gè)濾波電容，-15V端接兩個(gè)濾波電容，地端接模擬電源的地；外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊采用SD存儲(chǔ)卡，RS485驅(qū)動(dòng)芯片采用MAX485芯片，復(fù)位監(jiān)測(cè)電路采用TPS3707-30D芯片，仿真調(diào)試接口采用標(biāo)準(zhǔn)20腳的JTAG仿真調(diào)試接口，電池包的電池電壓為14V，5V變壓芯片采 用78L05，3.3V變壓芯片采用G1117，±15V的變壓芯片采用NROT15。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種近海海洋躍層水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在海面水聲通訊機(jī)借助浮標(biāo)或船只搭載的基礎(chǔ)上，有能力在陸地上準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取近海躍層水體的海水環(huán)境條件數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)集成了水聲通信和感應(yīng)耦合通訊兩種水下無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得它與已有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，具有更安全更方便更經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。本發(fā)明數(shù)字量傳感器集成采用感應(yīng)耦合無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，這樣在設(shè)計(jì)和布局上減少了有線電纜，從而極大地提高了其在浮標(biāo)系統(tǒng)中工作的安全性和穩(wěn)定性，再通過(guò)與水聲通訊機(jī)的結(jié)合，使得它能很好的應(yīng)用于多參數(shù)測(cè)量、浮標(biāo)系留結(jié)構(gòu)條件下的監(jiān)測(cè)。而現(xiàn)有的其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還未有能夠適應(yīng)這一多參數(shù)測(cè)量、浮標(biāo)系留結(jié)構(gòu)的應(yīng)用條件。
文檔編號(hào)G08C23/02GK103197040SQ20131011426
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者倪曉波, 曾定勇, 黃大吉, 張濤, 王奎, 周鋒, 宣基亮, 王磊 申請(qǐng)人:國(guó)家海洋局第二海洋研究所