浮标控制装置和系统的制作方法

本实用新型涉及海洋监测技术领域，尤其是浮标控制装置和系统。

背景技术：

冰基拖曳式海洋剖面测量浮标是为实现北冰洋冰面气象及水文要素自动、连续测量，记录海冰漂移轨迹，反演海冰变化过程，进行实时数据采集并通过卫星通讯将数据传回地面用户而设计的观测设备。该设备主要包括冰面浮标、拖曳电缆和水下剖面浮标三部分。

冰面浮标的运动速度、海流流速、拖曳缆的物理特性等因素直接影响水下剖面浮标的运动状态，进而影响所采集剖面数据的质量。因此，如何提高所采集的剖面数据的质量成为需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供浮标控制装置和系统，通过判断水下剖面浮标的工作状态，实时控制其浮力，同时将所采集的数据传回冰面浮标，提高所采集的剖面数据的质量。

第一方面，本实用新型实施例提供了浮标控制装置，包括：用于控制冰面浮标的第一控制装置以及用于控制水下剖面浮标的第二控制装置，所述第一控制装置与所述第二控制装置相连接；所述第二控制装置包括第二控制器、第二数据采集器、第二通信器、电机驱动器以及电机；

所述第二数据采集器，与所述第二控制器相连接，用于采集水下的温盐深数据以及所述水下剖面浮标的姿态变化信息；

所述第一控制装置，与所述第二控制器相连接，用于将唤醒指令发送给所述第二控制器；

所述第二控制器，与所述第二通信器相连接，用于接收所述唤醒指令，以将所述温盐深数据发送给所述第二通信器，并根据所述姿态变化信息发送控制指令给所述电机驱动器；

所述第二通信器，与所述第二控制装置相连接，用于将所述温盐深数据发送给所述第一控制装置；

所述电机驱动器，与所述第二控制器相连接，用于根据所述控制指令控制所述电机工作；

所述电机，与所述电机驱动器相连接，用于控制所述水下剖面浮标的浮力，以使所述第二数据采集器进行数据采集。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一控制装置包括第一控制器、第一数据采集器、第一通信器以及卫星通讯系统；

所述第一数据采集器，与所述第一控制器相连接，用于采集气象数据；

所述第一通信器，与所述第二通信器相连接，用于接收所述温盐深数据；

所述第一控制器，与所述卫星通讯系统相连接，用于将所述温盐深数据以及所述气象数据发送给所述卫星通讯系统；

所述卫星通讯系统，与所述第一控制器相连接，用于将所述温盐深数据以及所述气象数据发送给地面接收器。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第二控制装置还包括与所述第二控制器相连接的第二电源管理器，所述第二电源管理器用于为所述第二控制装置供电。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第二数据采集器采用SBE 41CP型CTD传感器，还用于采集电源电压以及电机电流。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第一控制装置还包括与所述第一控制器相连接的第一电源管理器，所述第一电源管理器用于为所述第一控制装置供电。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第一数据采集器采用温湿传感器和气压传感器。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述卫星通讯系统采用铱星通信系统。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述第二控制器连接有第二时钟电路，所述第二时钟电路用于所述第二控制器的休眠唤醒，并控制数据采集周期以及浮力调节周期。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述第一控制器连接有第一时钟电路，所述第一时钟电路用于所述第一控制器的休眠唤醒，并控制数据采集周期。

第二方面，本实用新型实施例还提供浮标控制系统，包括第一方面所述的浮标控制装置，还包括地面接收器，所述地面接收器与所述浮标控制装置的卫星通讯系统相连接，用于接收所述卫星通讯系统发送的数据。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供了浮标控制装置和系统，包括相互连接的第一控制装置和第二控制装置；第二控制装置包括第二控制器以及与第二控制器相连接的第二数据采集器、第二通信器、电机驱动器，电机驱动器连接有电机；第二数据采集器用于采集水下的温盐深数据以及水下剖面浮标的姿态变化信息；第一控制装置用于将唤醒指令发送给第二控制器；第二控制器用于接收唤醒指令，以将温盐深数据发送给第二通信器，并根据姿态变化信息发送控制指令给电机驱动器；第二通信器用于将温盐深数据发送给第一控制装置；电机驱动器用于根据控制指令控制电机工作；电机用于控制水下剖面浮标的浮力，以使第二数据采集器进行数据采集。通过判断水下剖面浮标的工作状态，实时控制其浮力，同时将所采集的数据传回冰面浮标，提高所采集的剖面数据的质量。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的浮标控制装置示意图；

图2为本实用新型实施例提供的浮标控制装置的另一示意图；

图3为本实用新型实施例提供的浮标控制装置的又一示意图；

图4为本实用新型实施例提供的浮标控制系统示意图。

图标：

10-第一控制装置；20-第二控制装置；30-地面接收器；11-第一控制器；12-第一数据采集器；13-第一通信器；14-卫星通讯系统；15-第一电源管理器；16-第一时钟电路；21-第二控制器；22-第二数据采集器；23-第二通信器；24-电机驱动器；25-电机；26-第二电源管理器；27-第二时钟电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前冰面浮标的运动速度、海流流速、拖曳缆的物理特性等因素直接影响水下剖面浮标的运动状态，进而影响所采集剖面数据的质量。因此，如何提高所采集的剖面数据的质量成为需要解决的问题，基于此，本实用新型实施例提供的浮标控制装置和系统，通过判断水下剖面浮标的工作状态，实时控制其浮力，同时将所采集的数据传回冰面浮标，提高所采集的剖面数据的质量。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的浮标控制装置进行详细介绍。

实施例一：

图1为本实用新型实施例提供的浮标控制装置示意图。

参照图1，本实用新型实施例提供的浮标控制装置，包括：用于控制冰面浮标的第一控制装置10以及用于控制水下剖面浮标的第二控制装置20，第一控制装置10与第二控制装置20相连接；第二控制装置20包括第二控制器21、第二数据采集器22、第二通信器23、电机驱动器24以及电机25；

这里，第一控制装置10与第二控制装置20通过拖曳电缆相连接，二者之间的通讯基于拖曳电缆。

第二数据采集器22，与第二控制器相连接，用于采集水下的温盐深数据以及水下剖面浮标的姿态变化信息；

进一步地，第二数据采集器22采用SBE 41CP型CTD传感器，CTD传感器通过UART接口输出温盐深数据给第二控制器21进行处理。该传感器的温度、电导率和压力传感器出厂前已进行校准，不需要再与当地的温度和盐度进行校准。此外，其姿态传感器用于监测水下剖面测量浮标运动过程中的姿态变化，CTD传感器还用于采集电源电压以及电机电流，从而检测锂电池组的能量状态。

第一控制装置10，与第二控制器21相连接，用于将唤醒指令发送给第二控制器21；

第二控制器21，与第二通信器23相连接，用于接收唤醒指令，以将温盐深数据发送给第二通信器23，并根据姿态变化信息发送控制指令给电机驱动器24；

进一步地，如图3所示，第二控制器21连接有第二时钟电路27，第二时钟电路27用于第二控制器21的休眠唤醒，并控制数据采集周期以及浮力调节周期。

具体地，水下剖面浮标中的第二控制器21通过UART接口与时钟单元、第二数据采集器22以及第二通信器23连接，用于控制水下剖面浮标的沉浮以及第二数据采集器22的数据采集、处理与传输。第二控制器21在工作周期内控制水下剖面浮标各主要单元的工作进程，从而将数据传输给冰面浮标。第二时钟电路27为第二控制器21提供时间基准，控制数据采集与浮力调节时间。

第二通信器23，与第二控制装置20相连接，用于将温盐深数据发送给第一控制装置10；

具体地，通过RS485通讯单元，采用Modbus协议实现冰面浮标与水下剖面浮标之间的唤醒指令以及采集数据的可靠传输。

电机驱动器24，与第二控制器21相连接，用于根据控制指令控制电机工作；这里可以采用电机驱动芯片，在保证足够的驱动电流的同时，还可以具有完善的过流过热保护功能。

电机25，与电机驱动器24相连接，用于控制水下剖面浮标的浮力，以使第二数据采集器22进行数据采集。

具体地，水下剖面浮标的浮力调节基于对单冲程柱塞泵配套电机的控制，调节过程为：正常情况下，水下剖面浮标停留在水下125米深处等待第二控制装置20的唤醒指令，这时水下剖面浮标的皮囊处于收紧状态，液压油全部在油缸内。具体可以设定唤醒周期，例如设定12小时唤醒一次水下剖面浮标进行温盐深参数剖面测量。

当水下剖面浮标接到唤醒指令后，电机驱动单冲程柱塞泵工作，带动活塞将液压油排入皮囊内，皮囊鼓涨，浮标体积增大，浮力增大，浮标上升，同时CTD传感器工作，在125米～10米的范围内，CTD传感器每隔1米测量一次温盐深数据，在10米～0米的范围内，每隔0.2米测量一次温盐深数据，同时第二控制器21通过第二通信器23将测量数据发送给第二控制装置20，待数据传输完后电机反转带动活塞反向运动，将皮囊内的液压油逐渐抽回油缸，皮囊体积减小，使浮标浮力减小，浮标下沉，直至下沉到125米拖曳缆的长度，进入休眠等待下一次唤醒，如此往复做剖面测量。

需要说明的是，上述工作过程仅为示例性的，具体数值可以视情况而定，这里不做限制。

进一步地，如图2所示，第一控制装置10包括第一控制器11、第一数据采集器12、第一通信器13以及卫星通讯系统14；

第一数据采集器12，与第一控制器11相连接，用于采集气象数据；

第一通信器13，与第二通信器23相连接，用于接收温盐深数据；这里，第一通信器13与第二通信器23通过拖曳电缆进行数据通信；

第一控制器11，与卫星通讯系统14相连接，用于将温盐深数据以及气象数据发送给卫星通讯系统14；

卫星通讯系统14，与第一控制器11相连接，用于将温盐深数据以及气象数据发送给地面接收器。

进一步地，如图3所示，第一控制器11连接有第一时钟电路16，第一时钟电路16用于第一控制器11的休眠唤醒，并控制数据采集周期。

具体地，冰面浮标中的第一控制器11基于UART接口与第一数据采集器12、第一通信器13、卫星通讯系统14、第一时钟电路16连接，具有系统时序控制、电源管理、数据采集与存储及数据通讯与传输等功能。第一控制器11在预设时钟周期内控制冰基浮标各主要单元的工作进程并协调管理冰基浮标与水下剖面测量浮标之间的控制时序和数据传输。第一时钟电路16用于第一控制器11的休眠唤醒，并控制数据采集周期，其校准基于GPS时间。

进一步地，第二控制装置20还包括与第二控制器21相连接的第一电源管理器26，第一电源管理器26用于为第二控制装置20供电。这里，第二控制器21通过I/O口控制电源管理器。

具体地，DC/DC开关稳压电源芯片组成第一电源管理器26，为第二控制装置20供电，采用超级电容器用于电机工作过程中的瞬间功率补偿。

进一步地，第一控制装置10还包括与第一控制器11相连接的第一电源管理器15，第一电源管理器15用于为第一控制装置10供电。第一控制器11通过I/O口控制电源管理器。

具体地，DC/DC开关稳压电源芯片组成第一电源管理器15，为第一控制装置10供电，采用超级电容器用于卫星数据通讯过程中的瞬间功率补偿。

进一步地，第一数据采集器12采用温湿传感器和气压传感器。

这里，第一数据采集器12采集冰面浮标气象数据，采用温湿传感器与气压传感器。传感器输出0-2.5V电压信号，经冰面浮标数据采集单元中的Σ-Δ调制型A/D转换芯片获得数字量输出给第一控制器11处理，存储器采用非易失性NVRAM，存储压缩后的气象数据。

进一步地，卫星通讯系统14采用铱星通信系统。铱星通信系统，具有运行轨道低、传输速度快、信息损耗小、通信质量高等特点，铱星不需要专门的地面接收站，每个用户终端都可以与卫星连接，使得通信落后的边远地区的通信变得畅通无阻。并采用GPS辅助定位，具有定位误差小，数据获取快等优点。

实施例二：

参照图4，本实用新型实时提供了浮标控制系统，包括上述实施例的浮标控制装置，还包括地面接收器30，地面接收器30与浮标控制装置的卫星通讯系统14相连接，用于接收卫星通讯系统14发送的数据。

本实用新型实施例提供的浮标控制系统，与上述实施例提供的浮标控制装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

本实用新型实施例提供了浮标控制装置和系统，包括相互连接的第一控制装置和第二控制装置；第二控制装置包括第二控制器以及与第二控制器相连接的第二数据采集器、第二通信器、电机驱动器，电机驱动器连接有电机；第二数据采集器用于采集水下的温盐深数据以及水下剖面浮标的姿态变化信息；第一控制装置用于将唤醒指令发送给第二控制器；第二控制器用于接收唤醒指令，以将温盐深数据发送给第二通信器，并根据姿态变化信息发送控制指令给电机驱动器；第二通信器用于将温盐深数据发送给第一控制装置；电机驱动器用于根据控制指令控制电机工作；电机用于控制水下剖面浮标的浮力，以使第二数据采集器进行数据采集。通过判断水下剖面浮标的工作状态，实时控制其浮力，同时将所采集的数据传回冰面浮标，提高所采集的剖面数据的质量。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。