一种远程控制的海洋波浪浮标的制作方法

本发明涉及对海洋波浪浮标的控制与通信技术领域，具体地说是一种远程控制的海洋波浪浮标。

背景技术：

目前，随着经济的发展，海上人类活动越来越频繁的同时，海洋环境问题也日益凸显。除了受到海洋污染、海洋赤潮等多种海洋环境灾害的影响外，我国沿海地区还受台风、海浪、风暴潮、海冰等多种动力现象形成的灾害影响，是世界上海洋灾害最严重的国家之一。而海洋监测技术作为国家863计划中与海洋有关的三个主题之一，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用，也是展示一个国家综合国力的重要标志。大力发展海洋波浪浮标的前沿技术，不仅可以提高国家海洋波浪监测技术原始创新能力，同时还可以为其它海洋技术的持续发展奠定坚实的技术基础。

海洋波浪浮标是目前海洋波浪检测的主要手段，是海洋环境立体监测网的重要组成部分，具有抗恶劣环境强、容量大、在位时间和寿命长、抗人为破坏能力强等特点，尤其能在一些如风暴潮、台风等灾害性天气过程中，获取宝贵的海洋波浪数据资料，已成为国家海洋监测、港湾建筑、渔业捕捞、海水养殖工程等重要载体，这是其他海洋观测手段所无法替代的。

常规海洋波浪浮标检测波浪要素数据是通过人工现场取回波浪要素数据资料，且只能现场进行海洋波浪浮标的检修和维护。针对海洋波浪浮标系统软件和检测系统问题，只能现场进行系统的维护和升级。因此常规的海洋波浪浮标集中主要存在以下技术缺陷：

1、人工现场取回海洋波浪数据资料费事费力，周期长，且台风、暴雨等恶劣天气难以操作；

2、海洋波浪浮标出现故障，难以预测、检查是系统软件问题还是硬件问题，难以进行波浪浮标运行状况的远程访问检查和维护，并且不能进行波浪要素数据的选择。

3、常规海洋波浪浮标采用移动网络通信或无线电通信(cdma、gprs、4g)。由于受到通信距离的限制，不能用于深远海的数据通信。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供能通过北斗卫星与波浪监测平台主机建立通信，并由波浪监测平台主机实现远程访问和操作进行波浪要素数据存储、传输、维护和检修的一种远程控制的海洋波浪浮标。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种远程控制的海洋波浪浮标,包括波浪浮标框架以及配合该波浪浮标框架安装的波浪浮标控制系统，波浪浮标控制系统由用于检测海洋波浪特征值的波浪数据检测系统、用于使海洋波浪浮标在复杂的海洋环境下保持稳定工作状态的波浪浮标稳定系统和利用波浪能及太阳能发电为海洋波浪浮标内所有用电单位提供电力所需的波浪浮标供电系统组成；波浪浮标控制系统连接有波浪浮标控制系统分机，该波浪浮标控制系统分机采用有起系统程序运算处理功能的浮标姿态解算处理器，波浪浮标控制系统分机连接有利用北斗卫星与波浪监测平台主机实现双向网络通信的远程控制系统，远程控制系统将经浮标姿态解算处理器处理后输出的海洋波浪特征值以及海洋波浪浮标的工作状态和海洋波浪浮标所处的坐标位置上传报告给波浪监测平台主机，波浪监测平台主机通过远程控制系统发送指令信号给浮标姿态解算处理器实现对海洋波浪浮标的远程控制，对海洋波浪浮标的远程控制至少包括对波浪浮标控制系统的维护和升级以及指令波浪浮标控制系统进行海洋波浪特征值检测、海洋波浪要素数据的存储和传输。海洋波浪特征值也就是海洋波浪要素数据，它包含波浪的高度、周期和频率等数据。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的波浪数据检测系统包括整合9轴的浮标姿态传感器；浮标姿态传感器包括用于检测三个方向角速度参数的三轴陀螺仪、用于检测三个方向加速度参数的三轴加速度计和用于检测三轴磁感应强度参数的三轴磁力计；三轴陀螺仪和三轴加速度计均经a/d转换模块将采集到的参数反馈至浮标姿态解算处理器，三轴磁力计直接将采集的三轴磁感应强度参数反馈至浮标姿态解算处理器；上述的波浪浮标控制系统分机安装有与浮标姿态解算处理器相连的数据存储模块；浮标姿态解算处理器将三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计反馈的参数经内部姿态解算处理后得到海洋波浪特征值，并且浮标姿态解算处理器能将得到海洋波浪特征值写入到数据存储模块中保存，并按波浪监测平台主机的指令信号要求按设定时间将保存的海洋波浪特征值通过远程控制系统上传至波浪监测平台主机。

上述的波浪浮标稳定系统包括安装在波浪浮标框架下方与波浪浮标框架一起组成海洋波浪浮标外壳的浮体以及设置在该浮体四周用于固定海洋波浪浮标的固定链和受浮标姿态解算处理器智能程序控制根据波浪数据检测系统检测的风浪等级执行使海洋波浪浮标增强稳定动作的执行机构。

上述的浮体的中心设计有向下贯通的抛锚通道以及环绕该抛锚通道成型的浮标稳定仓；浮标稳定仓由下层的下层浮标稳定仓、中层的中层浮标稳定仓和上层的上层浮标稳定仓组成；波浪浮标框架的内部上方设置有控制仓，该控制仓的下部成型有连通抛锚通道的容锚腔。

上述的执行机构包括通过使浮标稳定仓进水保持海洋波浪浮标稳定的电磁阀门和驱动智能锚收放保持海洋波浪浮标稳定的驻锚伺服电机以及用于将浮标稳定仓中的水排出的排水泵；智能锚位于容锚腔中且通过锚链与驻锚伺服电机相连接，排水泵和驻锚伺服电机均安装在浮体的上环形板面上且位于波浪浮标框架中。

上述的电磁阀门包括安装在下层浮标稳定仓的下层电磁阀门、安装在中层浮标稳定仓的中层电磁阀门和安装在上层浮标稳定仓的上层电磁阀门；当风浪等级在4级以下时，浮标姿态解算处理器控制下层电磁阀门打开使下层浮标稳定仓进水配合固定链的四周固定保持海洋波浪浮标的稳定；当风浪等级在5级至7级时，浮标姿态解算处理器增加控制中层电磁阀门打开使中层浮标稳定仓进水，当风浪等级在8级以上时，浮标姿态解算处理器再增加控制驻锚伺服电机驱动智能锚穿过抛锚通道下移固定到海底和控制上层电磁阀门打开使上层浮标稳定仓进水。

上述的波浪浮标供电系统包括安装在波浪浮标框架外侧面上用于将太阳能转换成电能的太阳能电池板和安装在浮体上用于将海水冲涮的机械能转换成电能的发电机以及用于将转换的电能存储并为用电单位提供电力的蓄电池；蓄电池与太阳能电池板和发电机之间设置有逆变器。

上述的远程控制系统为采用远程控制软件的远程通讯模块，该远程通讯模块连接有用于提高通讯能力的天线，天线安装在波浪浮标框架的顶部。

上述的波浪数据检测系统、波浪浮标控制系统分机、蓄电池、逆变器和远程通讯模块均安装在波浪浮标框架的控制仓中。

上述的波浪浮标框架上安装有受浮标姿态解算处理器智能控制点亮的航标灯，智能锚上设置有尾管；浮标姿态解算处理器采用的芯片为stm32f103vct6，三轴磁力计采用的芯片为hmc5883l；陀螺仪和加速度计采用的芯片为mpu6050。

与现有技术相比，本发明的海洋波浪浮标采用有利用北斗卫星与波浪监测平台主机实现双向网络通信的远程控制系统，实现了波浪监测平台主机远程指令波浪浮标控制系统进行海洋波浪特征值检测以及海洋波浪要素数据的存储和提取的功能。并能通过远程控制达到对海洋波浪浮标进行系统维护和升级目的。避免了人工现场收取海洋波浪浮标检测波浪要素信息和现场检修海洋波浪浮标，降低了检修、维护成本，采用波浪能和太阳能发电，高效清洁能源循环利用。同时也提高了工作人员的效率，增加了海洋波浪浮标的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作原理示意图；

图3是本发明波浪数据检测系统的原理示意图；

图4是本发明远程控制系统的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

其中的附图标记为：航标灯d、天线t、波浪浮标框架1、控制仓1a、容锚腔1b、浮体2、抛锚通道2a、下层浮标稳定仓21、中层浮标稳定仓22、上层浮标稳定仓23、固定链3、智能锚4、尾管41、驻锚伺服电机5、排水泵6、下层电磁阀门71、中层电磁阀门72、上层电磁阀门73、太阳能电池板8、发电机9。

图1至图4为本发明的结构及工作原理示意图，如图所示，本发明的一种远程控制的海洋波浪浮标,包括波浪浮标框架以及配合该波浪浮标框架安装的波浪浮标控制系统，波浪浮标控制系统由波浪数据检测系统、波浪浮标稳定系统和波浪浮标供电系统组成。波浪数据检测系统用于检测海洋波浪特征值参数，也就是海洋波浪要素数据。海洋波浪要素数据包含波浪的高度、周期和频率等数据。波浪浮标稳定系统用于使海洋波浪浮标在各种复杂的海洋环境和风浪下保持稳定工作状态，而波浪浮标供电系统则能将海水的波浪能和太阳光照射的太阳能转换成电能为海洋波浪浮标中所有的用电单位提供电力所需。波浪浮标供电系统利用波浪能及太阳能两种发电方式发电保证海洋波浪浮标的正常供电。波浪浮标控制系统连接有波浪浮标控制系统分机，波浪浮标控制系统分机中设有采用芯片为stm32f103vct6的浮标姿态解算处理器，浮标姿态解算处理器负责海洋波浪浮标的系统程序运算和处理工作，它是海洋波浪浮标的核心控制单元，浮标姿态解算处理器的内部设有智能控制程序，能对系统的运行状态进行检测并具有定位的功能。浮标姿态解算处理器能对波浪数据检测系统检测的反馈来的数据进行解算以得到海洋波浪特征值。浮标姿态解算处理器连接有远程控制系统，远程控制系统为采用远程控制软件的远程通讯模块，该远程通讯模块连接有用于提高通讯能力的天线t，天线t安装在波浪浮标框架1的顶部。远程通讯模块借助北斗卫星通信实现波浪浮标控制系统分机与波浪监测平台主机间的双向网络通信。波浪浮标控制系统分机利用远程控制系统将经浮标姿态解算处理器处理后输出的海洋波浪特征值以及海洋波浪浮标的工作状态和海洋波浪浮标所处的坐标位置上传报告给波浪监测平台主机，实现了波浪监测平台主机与波浪浮标控制系统分机间的文件传输操作，并使工作人员在波浪监测平台主机上就能实时地观测海洋波浪浮标的工作状态和其具体所处的经纬度坐标。而波浪监测平台主机则能通过远程控制系统向波浪浮标控制系统分机发送指令信号给浮标姿态解算处理器，再由浮标姿态解算处理器驱动各系统执行从而完成对海洋波浪浮标的远程控制。这样就使工作人员可以通过在波浪监测平台主机上的操作来完成对波浪浮标控制系统的维护和升级，指令波浪浮标控制系统进行海洋波浪特征值检测，设定海洋波浪要素数据的存储和传输时间等。

本发明对海洋波浪要素数据的存储和提取，以及进行系统维护和升级均能在波浪监测平台主机上操作完成。避免了人工现场收取海洋波浪浮标检测波浪要素信息和现场检修海洋波浪浮标麻烦，降低了检修、维护成本，采用波浪能和太阳能发电，高效清洁能源循环利用。同时也提高了工作人员的效率，增加了海洋波浪浮标的使用寿命。

实施例中，本发明的波浪数据检测系统包括整合9轴的浮标姿态传感器；浮标姿态传感器包括用于检测三个方向角速度参数的三轴陀螺仪、用于检测三个方向加速度参数的三轴加速度计和用于检测三轴磁感应强度参数的三轴磁力计；三轴陀螺仪和三轴加速度计均经a/d转换模块将采集到的参数反馈至浮标姿态解算处理器，三轴磁力计直接将采集的三轴磁感应强度参数反馈至浮标姿态解算处理器；三轴磁力计采用的芯片为hmc5883l；陀螺仪和加速度计采用的芯片为mpu6050。波浪浮标控制系统分机安装有与浮标姿态解算处理器相连的数据存储模块；浮标姿态解算处理器将三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计反馈的参数经内部姿态解算处理后得到海洋波浪特征值，并且浮标姿态解算处理器能将得到海洋波浪特征值写入到数据存储模块中保存，以防止数据丢失。浮标姿态解算处理器能按波浪监测平台主机的指令信号要求，在一天内按设定时间将保存的海洋波浪特征值通过远程控制系统上传至波浪监测平台主机。本发明的数据存储模块为sd卡，sd卡具有保存一周或一个月数据内容的容量，浮标姿态解算处理器会按照时间的顺序将一周前或一个月前已上传过的文件自动清除。

本发明的波浪浮标稳定系统包括浮体2以及设置在该浮体2四周用于固定海洋波浪浮标的固定链3和受浮标姿态解算处理器智能程序控制根据波浪数据检测系统检测的风浪等级执行使海洋波浪浮标增强稳定动作的执行机构。由图1可以看出波浪浮标框架1与浮体2上下组装成一体构成了海洋波浪浮标的海洋波浪浮标外壳。

浮体2的中心设计有向下贯通的抛锚通道2a以及环绕该抛锚通道2a成型的浮标稳定仓；浮标稳定仓包括三层相互独立的单元仓，即由下层的下层浮标稳定仓21、中层的中层浮标稳定仓22和上层的上层浮标稳定仓23组成；波浪浮标框架1的内部上方设置有控制仓1a，该控制仓1a的下部成型有连通抛锚通道2a的容锚腔1b。抛锚通道2a和容锚腔1b具有同一轴心，控制仓1a用于安装海洋波浪浮标各系统的控制电板。

实施例中，本发明的执行机构包括通过使浮标稳定仓进水保持海洋波浪浮标稳定的电磁阀门和驱动智能锚4收放保持海洋波浪浮标稳定的驻锚伺服电机5以及用于将浮标稳定仓中的水排出的排水泵6；智能锚4位于容锚腔1b中且通过锚链与驻锚伺服电机5相连接，排水泵6和驻锚伺服电机5均安装在浮体2的上环形板面上且位于波浪浮标框架1中。智能锚4上设置有尾管41。

实施例中，电磁阀门包括安装在下层浮标稳定仓21的下层电磁阀门71、安装在中层浮标稳定仓22的中层电磁阀门72和安装在上层浮标稳定仓23的上层电磁阀门73；当波浪数据检测系统检测的风浪等级在4级以下时，浮标姿态解算处理器就会控制下层电磁阀门71打开使下层浮标稳定仓21进水，即通过固定链3的四周固定和浮体2的下层浮标稳定仓21进水的方法来保持海洋波浪浮标的稳定。当波浪数据检测系统检测的风浪等级在5级至7级时，浮标姿态解算处理器会进一进增加控制中层电磁阀门72打开，使中层浮标稳定仓22进水，来保证海洋波浪浮标的稳定。而当检测的风浪等级在8级以上时，浮标姿态解算处理器则会再进一步增加控制驻锚伺服电机5驱动智能锚4穿过抛锚通道2a下移固定到海底和控制上层电磁阀门73打开使上层浮标稳定仓23进水，以保持海洋波浪浮标的稳定。当风浪减小时，浮标姿态解算处理器会根据风浪的等级驱动排水泵6将浮体2的下、中和上层中的水抽出，并且驱动驻锚伺服电机5使智能锚4上升，从而在波浪等级不同的情况下，保证海洋波浪浮标的稳定工作。

实施例中，波浪浮标供电系统包括安装在波浪浮标框架1外侧面上用于将太阳能转换成电能的太阳能电池板8和安装在浮体2上用于将海水冲涮的机械能转换成电能的发电机9以及用于将转换的电能存储并为用电单位提供电力的蓄电池，蓄电池与太阳能电池板8和发电机9之间设置有逆变器。

本发明的波浪数据检测系统、波浪浮标控制系统分机、蓄电池、逆变器和远程通讯模块均安装在波浪浮标框架1的控制仓1a中。波浪浮标框架1上还安装有受浮标姿态解算处理器智能控制点亮的航标灯d，

本发明的波浪浮标控制系统采用无风扇嵌入式工控机，体积小便于安装，铝壳结构扇热性能良好，较好的防振、防冲击的特点。

北斗卫星通信作为我国自主研发的系统，通信方面具有系统容量大、设备及通信费用低、通信实时性强、高强度加密设计，安全、可靠、稳定的特点。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。