实时传输海洋动力参数浮标系统的制作方法

本发明设计的是一种海洋环境监测设备，具体地说是一种能实现对不同深度的海洋动力进行采集、存储及实时无线传输的装置。

背景技术：

海洋环境复杂多变，掌握海洋环境参数及其变化规律对于研究海洋经济以及海洋科技都有十分重要的意义。声波作为水下信息的主要载体，其在海洋中的传播与海洋动力过程有着紧密的耦合关系，海水的温度、压力、盐度和流速等因素影响声波在水中的传播速度，其中任何一个参数的变化都会导致声速的变化。通过实现海洋区域环境声场-动力环境的同步观测，掌握复杂海洋动力环境下声传播规律，对提高水声设备探测能力有极其重要的意义。

浮标系统具有工作性能稳定，成本低廉等优点，在海洋声学环境探测方面有很大的发展空间。但传统的浮标系统结构简单，工作深度单一，水密性要求高，某个传感器或接口故障会导致整个链路崩溃，自容式存储只能在回收后对数据进行处理，无法实时监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能实时传输海洋动力环境信息的实时传输海洋动力参数浮标系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的实时传输海洋动力参数浮标系统包括：通信浮标下端悬挂耦合传输缆，耦合传输缆上端设置感应耦合数据接收环、下端设置感应耦合数据发送器、中间间隔布置温深测量仪与温盐深测量仪，耦合传输缆下端通过卸扣悬挂声学多普勒流速剖面仪及声学多普勒流速剖面仪电池仓，声学多普勒流速剖面仪的数据转换电路通过水密馈线与感应耦合数据发送器连接，声学多普勒流速剖面仪下端连接浮球，浮球下端设置转环，转环连接声学释放器，声学释放器通过起重吊环连接钢缆和沉块。

本发明的实时传输海洋动力参数浮标系统还可以包括：

1、通信浮标由浮标标体、锂电池组、浮标主控单元、感应耦合数据采集器、FGR2电台、FGR2电台天线和馈线组成，锂电池组为浮标提供13V的直流电压，浮标主控单元通过感应耦合数据采集器及感应耦合数据接收环与感应耦合数据发送器建立连接，以感应耦合传输方式控制温深测量仪、温盐深测量仪、声学多普勒流速剖面仪实时上传采集的数据并将数据存储至SD卡，同时浮标主控单元通过FGR2电台以主从广播方式实时响应岸站的索取数据命令将采集的数据实时传输至岸站。

2、声学多普勒流速剖面仪电池仓由锂电池组、声学多普勒流速剖面仪数据转换电路、声学多普勒流速剖面仪支架和馈线组成，锂电池组为声学多普勒流速剖面仪及声学多普勒流速剖面仪数据转换电路提供33V直流电压，声学多普勒流速剖面仪数据转换电路对采集的数据进行去冗余处理，获得224字节数据，然后再将数据通过耦合传输上传至通信浮标。

3、温深测量仪、温盐深测量仪以5s采样间隔对海水温度、压力、盐度数据进行采集、存储；声学多普勒流速剖面仪以30s采样间隔对海水25个流层流速进行采集。

本发明的主要特点体现在：

1、(1)通信浮标系统采用垂直锚系结构，可以监测不同深度的海洋环境动力参数；(2)通过感应耦合传输方式及设计合理的通信协议，可以保证水下信息传输到水面浮标实时性；(3)将无线通信命令响应时间控制在200ms，可以保证水面浮标数据传输到岸站的实时性；(4)ADCP电池仓和数据转换电路，可以使其满足长续航的要求，减轻数据量过大对耦合传输的压力。

2、采用垂直锚系结构，采集设备(TD/CTD/ADCP)通过SSM固定在耦合传输钢缆上，TD/CTD的数量、间距等均可以方便地按需修改，为获取最大的流速剖面深度，一般将ADCP置于浮标最底端。通过浮球配重，可使浮标系统处于竖直状态，且通讯浮标一半浮于水面，浮球下端的转环可以避免耦合传输缆受到过大的径向旋转作用力。通过主控程序的合理设计，某个设备故障对系统整体运行无影响，有效提升了系统稳定性。

3、利用感应耦合传输方式，可以实时地将采集数据传输至浮标主控单元；而合理设计的通信协议，如对于上次传输未传完的10min数据及因为信道条件欠佳等原因与岸站失联而多存储的数据进行舍弃处理，每次只向岸站上传最新的10min数据块，可以保证传输到岸站的数据的实时性。

4、对无线通信命令(握手命令与索要数据命令)响应时间控制在200ms，岸站每隔2个小时与浮标握手一次，成功握手后以广播方式每10min进行一次数据传输，对传输一半的数据块以及非最近10min数据块采取舍弃处理，可以确保数据传输至岸站是实时通信。

5、ADCP电池仓可以解决ADCP功耗大与长续航的矛盾。数据转换电路，剔除冗余信息，以保证数据可以通过耦合传输及时上传至水面通信浮标。

经过以上设计，可以保证该实时传输海洋动力参数浮标系统能够稳定工作30天以上。本发明的实时传输海洋动力参数浮标系统，主要实现对不同深度的海洋动力信息(温度、压力、深度、盐度、海水流速等)进行采集，存储，实时无线传输等功能。利用感应耦合技术与传感器的数据传输，并且通过海面组网将数据实时上传至岸站，实现实时上传，实时处理。

附图说明

图1是实时传输海洋动力参数浮标系统示意图。

图2是浮标数据传输流程图。

图3是SD卡初始化流程图。

图4是实时耦合传输流程图。

图5是实时电台传输流程图。

图6是浮标主控单元整体工作流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明的实时传输海洋动力参数浮标系统主要包括温深测量仪TD、温盐深测量仪CTD、声学多普勒流速剖面仪ADCP、ADCP电池仓、ADCP数据转换电路、感应耦合数据发送器SSM、感应耦合数据采集器HEM、感应耦合数据接收环CCA、感应耦合温压测量缆、浮标标体、浮标主控单元、FGR2无线电台、FGR2电台天线、13V锂电池组、声学释放器和锚块。

图1给出了实时传输海洋动力参数浮标系统各部分之间的连接关系，其中：1是通信浮标、2是卸扣、3是ADCP及其电池仓、4是浮球、5是转环、6是声学释放器、7是起重吊环、8是钢缆、9是沉块。系统采用垂直锚系结构，浮标下端悬挂耦合传输缆，耦合传输缆上可按需求以任意间隔、数量安置TD1-16、CTD1-4。耦合传输缆下端通过卸扣悬挂ADCP及ADCP电池仓，ADCP数据转换电路通过水密馈线与耦合传输缆最下端的SSM连接，ADCP下端是浮球，通过浮球配重，可使浮标系统处于竖直状态，且通讯浮标一半浮于水面，浮球下端的转环可以避免耦合传输缆受到过大的径向旋转作用力。

图2给出了数据传输流程图。通讯浮标作为数据传输、控制的载体，其结构包含电源、锚灯、电台天线，内部包含HEM、主控电路、电台模块。TD、CTD、ADCP根据所需采样率及数据格式同时采集数据，其中ADCP数据首先传输至数据转换电路里，经过去冗余后存储至RAM。TD、CTD、ADCP的每个10min数据作为一个整体处理。浮标主控电路通过耦合传输方式每隔10min依次向每个TD、CTD、ADCP索要上一个10min数据，并存储至SD卡。岸站通过FGR2电台以主从广播通信方式每隔10min向浮标索取一次数据，实现了数据的实时上传。

图3给出了SD卡初始化流程图。SD用于存储TD、CTD及ADCP采集的数据，是数据正确传输的前提，故在SD卡初始化成功后，对SD卡第10000扇区写入指定数据，然后读取该扇区数据，对比读取的数据与写入数据是否相同，以确保存储的数据是正确的。若相同，则说明SD卡可正常进行读写操作；若不同，需对SD卡重新初始化。

图4给出了实时耦合传输流程图。传输过程中，每个10min数据块作为一个整体处理，浮标主控单元需对每个SSM执行实时耦合传输流程。该图是浮标主控单元向一个SSM获取数据的流程：首先循环唤醒HEM直至成功；延时t1后连接SSM，在t2时间内判断是否连接成功，若连接失败则重新连接，连续两次均失败则结束当前SSM操作，连接下一个SSM，避免因某个SSM故障对整个链路稳定性造成影响；连接成功后，延时t3并发送取数命令，在t4时间内判断取数指令是否响应，若失败，则重新发送取数命令，连续两次失败则结束操作；取数指令正确响应后接收数据，在t5时间内判断数据接收是否正确，若不正确，则重新发送取数命令并判断是否响应；数据接收正确后对数据进行存储，然后延时t6时间并发送退出模式命令，在t7时间内判断是否则退出成功，若失败，则重新发送；退出模式成功后，延时t8并关闭通道，至此，完成了对一个SSM的取数操作。

图5给出了实时电台传输流程图。对岸站电台命令的响应集成到一个函数内，具体流程如下：先判断岸站是否发来命令，若有命令则进行接收；判断接收的命令是否为握手请求命令，若是则回复握手响应命令，否则判断是否是索要数据命令，若是，且上个10min数据完成了耦合传输并存储于SD卡，则从SD卡取出数据回并回复岸站，否则回复空数据包以示数据未准备好。

图6给出了浮标主控单元整体工作流程图。在主控单元配置好时钟、串口、开启中断后，进行SD卡的初始化流程，SD卡初始化成功后进入死循环：循环判断上一个10min数据块是否采集完成，若上一个10min采集完成则通过耦合传输向SSM索取数据，然后存储至SD卡中，全部传输完毕后等待下一个10min数据块采集完成；若上一个10min采集未完成，则等待采集完成。对于MCU，若中断处理的工作较多，容易造成系统死机，且通信协议要求数据往返时间不得大于200ms，所以在这个耦合传输的死循环里，在每间隔30ms的代码后加入实时电台传输流程(函数)，类似于看门狗喂狗操作。

本发明中的实时传输包含两方面：一是海洋动力参数数据的实时性，即传到岸站的数据是最近十分钟的；二是无线传输的实时性，即对于岸站每次发来的命令，都以200ms以内的往返时间做出回应。

最后，本发明通过将感应耦合传输与无线电台传输相结合，实现了海洋动力参数的实时传输。