海上平臺(tái)基“怪潮”自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊子原，徐俊臣，邱文博，胡軼群，李冠宇，李 暉

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海上平臺(tái)基“怪潮”自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊子原，徐俊臣，邱文博，胡軼群，李冠宇，李 暉

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

平臺(tái)基觀測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)海洋觀測(cè)的領(lǐng)域中已經(jīng)有了較廣泛的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守觀測(cè)的必要條件之一是可靠的系統(tǒng)供電，日漸成熟的太陽(yáng)能光伏供電技術(shù)可以解決這一難題?！肮殖薄弊詣?dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)要素多樣化，其中集成有風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、降水、潮位、表層水溫、鹽度、水質(zhì)、海流等多項(xiàng)海洋環(huán)境要素?；贗EEE802.11n的微波通信技術(shù)可以將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至岸站數(shù)據(jù)中心。通過(guò)合理的方案設(shè)計(jì)和有效的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，該系統(tǒng)可以在無(wú)人值守的條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

怪潮；水文氣象；自動(dòng)觀測(cè)；微波；ADCP；海流；太陽(yáng)能光伏；視頻

蘇北海上平臺(tái)基“怪潮”自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)蘇北地區(qū)的漁業(yè)生產(chǎn)和人民生活有十分重要的意義和作用，通過(guò)對(duì)江蘇、上海一帶近岸海域的潮位、氣象、海流、視頻、水質(zhì)等要素的觀測(cè)，為當(dāng)?shù)貪O民作業(yè)和生產(chǎn)生活發(fā)布預(yù)警信息，以避免和減少近年來(lái)由蘇北淺灘“怪潮”所造成的漁業(yè)生產(chǎn)事故和經(jīng)濟(jì)損失。呂泗平臺(tái)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)是國(guó)家海洋局最早的平臺(tái)基觀測(cè)系統(tǒng)之一，隨著當(dāng)前自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展與推廣，結(jié)合成熟的太陽(yáng)能光伏供電技術(shù)，平臺(tái)基觀測(cè)系統(tǒng)完全可以達(dá)到長(zhǎng)期無(wú)人值守的自動(dòng)化觀測(cè)要求。

1 系統(tǒng)概述

目前，美、日、英、德等發(fā)達(dá)國(guó)家已建立起較完備的臺(tái)站、浮標(biāo)、海上石油平臺(tái)等觀測(cè)體系，能夠?qū)Τ毕?、海浪、溫鹽、氣象和污染等項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。我國(guó)觀測(cè)臺(tái)站的設(shè)立多基于當(dāng)時(shí)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和海洋科學(xué)研究水平而設(shè)置的，以現(xiàn)在觀測(cè)發(fā)展需求看，觀測(cè)平臺(tái)數(shù)量少，近海無(wú)潮點(diǎn)、風(fēng)暴潮災(zāi)害多發(fā)區(qū)、近海生態(tài)和部分河口區(qū)的觀測(cè)缺乏針對(duì)性，島嶼岸站少，海上平臺(tái)資源也未得到有效利用。

海上平臺(tái)基“怪潮”自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)是典型的近海海洋動(dòng)力環(huán)境要素觀測(cè)系統(tǒng)，“怪潮”觀測(cè)平臺(tái)是分布于距離洋口港東偏南33°和北偏西5°的兩個(gè)無(wú)人值守觀測(cè)平臺(tái)。根據(jù)由國(guó)家海洋局東海分局所主持的海洋行業(yè)公益性科研專(zhuān)項(xiàng)—“蘇北淺灘怪潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應(yīng)用”的項(xiàng)目任務(wù)要求，需在這兩處無(wú)人值守觀測(cè)平臺(tái)上對(duì)包括風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、降水、潮位、表層水溫、鹽度、水質(zhì)、海流、視頻等海洋環(huán)境要素進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)采集，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到岸站接收中心。根據(jù)“怪潮”無(wú)人觀測(cè)平臺(tái)無(wú)市電供給的現(xiàn)狀，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能光伏供電技術(shù)，完成了對(duì)各類(lèi)相關(guān)設(shè)備的供電。同時(shí)，搭建了基于IEEE802.11n的微波通信鏈路，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳至位于洋口港的接收站，繼而轉(zhuǎn)發(fā)至位于國(guó)家海洋局南通中心站的“怪潮”數(shù)據(jù)中心。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 基本組成

海上平臺(tái)基“怪潮”自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)由Z1、Z2兩處測(cè)點(diǎn)構(gòu)成，每處測(cè)點(diǎn)集成有水文氣象子系統(tǒng)、ADCP海流子系統(tǒng)、視頻子系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)子系統(tǒng)，另有供電子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)組成。

2.2 各子系統(tǒng)基本情況

2.2.1 水文氣象子系統(tǒng)

水文氣象子系統(tǒng)選用了由國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的XZY3型海洋站自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器和降水傳感器等氣象要素傳感器安裝于平臺(tái)頂部的小型觀測(cè)場(chǎng)，通過(guò)電纜與室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器連接，水文子系統(tǒng)安裝于平臺(tái)下部的驗(yàn)潮井和溫鹽井內(nèi)，水文數(shù)據(jù)采集器與氣象采集器一并安裝于監(jiān)控室內(nèi)。

2.2.2 供電子系統(tǒng)

供電子系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器和蓄電池組構(gòu)成，太陽(yáng)能電池板安裝在平臺(tái)外沿，朝向東南，根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)光照系數(shù)、陰雨天氣周期以及各子系統(tǒng)的功耗情況，選擇了相應(yīng)的太陽(yáng)能供電方案。其中水文子系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)子系統(tǒng)、ADCP海流子系統(tǒng)和視頻子系統(tǒng)均采用12 V直流供電，由多組太陽(yáng)能板搭載12 V蓄電池組完成，微波通信系統(tǒng)采用24VPOE供電技術(shù)，由太陽(yáng)能板搭載24 V蓄電池組完成。

2.2.3 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

在“怪潮”自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)中，各數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)均采用了串網(wǎng)轉(zhuǎn)換的原理將采集器的RS232數(shù)據(jù)串口通過(guò)MOXA5110串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口。該系統(tǒng)選用的MOXA工業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，達(dá)到了IP66防護(hù)等級(jí)，可以滿(mǎn)足在惡劣的海洋環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

微波通信系統(tǒng)選用1.2 m定向天線和基于IEEE802.11n的高帶寬網(wǎng)橋，分別在Z1、Z2兩個(gè)平臺(tái)與洋口港接收站之間建立了兩條獨(dú)立的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，作用距離可視條件下理論上達(dá)50 km。微波網(wǎng)橋配置有10/100BASE-TX以太網(wǎng)接口，支持POE供電，工作電壓為12/24VDC可選，最大功耗僅為8W。基于IEEE802.11n的微波通信系統(tǒng)支持AES/TKIP等多種加密算法，同時(shí)采用網(wǎng)橋物理地址綁定的方式，建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的私有鏈路，不允許其他同類(lèi)設(shè)備對(duì)該鏈路的數(shù)據(jù)進(jìn)行竊取訪問(wèn)，保證了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試，兩條鏈路分別可達(dá)到130 Mbps（Z1平臺(tái)）和180 Mbps（Z2平臺(tái)）的信道帶寬，完全可以承載平臺(tái)端各采集子系統(tǒng)的匯聚數(shù)據(jù)通信量。

2.2.4 視頻子系統(tǒng)

視頻子系統(tǒng)選用了?？低暪镜膹V角網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，安裝于平臺(tái)邊沿，用于監(jiān)控平臺(tái)上的儀器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況和周?chē)Ｃ娴倪^(guò)往船只情況。在12 V直流供電的情況下，視頻子系統(tǒng)的功耗可維持在8 W以下。選用的40萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以通過(guò)網(wǎng)線與交換機(jī)連接，產(chǎn)生的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)流約為200 kbps，而微波通信子系統(tǒng)的信道傳輸能力可達(dá)180 Mbps，完全可以支持視頻數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)傳輸。

2.2.5 ADCP海流子系統(tǒng)

ADCP海流計(jì)采用座底式觀測(cè)方式，布放于怪潮平臺(tái)的邊緣海域，可進(jìn)行最大20層，每層2 m的流速、流向采集觀測(cè)。ADCP采用了自容式測(cè)量原理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將海流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至ADCP探頭內(nèi)的SD卡中，存儲(chǔ)能力約2 a。同時(shí)，該型海流計(jì)內(nèi)部嵌有Prolog模塊，在完成自容式測(cè)量存儲(chǔ)的同時(shí)，通過(guò)RS232串口定時(shí)向外發(fā)送海流和波浪數(shù)據(jù)，通過(guò)串口服務(wù)器進(jìn)行串網(wǎng)轉(zhuǎn)換后，便可將海流計(jì)連接至平臺(tái)監(jiān)控室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

2.2.6 水質(zhì)子系統(tǒng)

水質(zhì)子系統(tǒng)由國(guó)家海洋局東海監(jiān)測(cè)中心聯(lián)合HACH公司完成，安裝于平臺(tái)的溫鹽井內(nèi)。

3 供電方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

供電子系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)光照系數(shù)、陰雨天氣周期等情況，對(duì)各采集子系統(tǒng)的功耗情況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)依據(jù)為在滿(mǎn)足各子系統(tǒng)最大供電需求的前提下，計(jì)算得到最小的太陽(yáng)板需求數(shù)量和蓄電池組需求數(shù)量，同時(shí)使各路供電系統(tǒng)具備獨(dú)立的管控能力。

以Z1平臺(tái)為例，各子系統(tǒng)功耗情況統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 Z1平臺(tái)功耗統(tǒng)計(jì)情況

根據(jù)以上功耗統(tǒng)計(jì)情況，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可得到如圖2所示的供電方案。

平臺(tái)外觀圖、平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖、岸基視頻接收效果圖分別如圖3、圖4、圖5所示。

4 系統(tǒng)運(yùn)行情況

截止2012年4月，Z1、Z2兩處“怪潮”觀測(cè)測(cè)點(diǎn)已分別正常工作了5個(gè)月與7個(gè)月，平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確無(wú)誤地發(fā)送至國(guó)家海洋局南通中心站的“怪潮”數(shù)據(jù)中心，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，沒(méi)有出現(xiàn)由陰雨天光照不足等造成的系統(tǒng)斷電情況。目前，該項(xiàng)目已進(jìn)入驗(yàn)收準(zhǔn)備階段。

5 結(jié)語(yǔ)

“怪潮”自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)是平臺(tái)基自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能光伏供電技術(shù)和微波通信技術(shù)，結(jié)合串網(wǎng)轉(zhuǎn)換的原理集成了包括水文、氣象、海流、視頻、水質(zhì)在內(nèi)的多個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，達(dá)到了無(wú)人值守的觀測(cè)要求，并可以推廣應(yīng)用于其他無(wú)人值守平臺(tái)或無(wú)人海島的觀測(cè)與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中。最后，該系統(tǒng)的成功實(shí)施與運(yùn)行為新一代高可靠、低功耗、多參數(shù)、大容量的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)做了前期的試驗(yàn)探索。

[1]胡軼群.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究[J].海洋技術(shù),2012,31(1)∶21-23.

[2]劉巖.海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述[J].山東科學(xué),2001,14(4)∶30-35.

[3]張建濤.海上觀測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究[J].海洋技術(shù),2011,30(2)∶41-45.

[4]潘琢金,施國(guó)君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京∶北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

Design and Implementation of“Erratic Tide”Automatic Monitoring System

YANG Zi-yuan,XU Jun-chen,QIU Wen-bo,HU Yi-qun,LI Guan-yu,LI Hui
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The platform-based data acquisition system has been applied widely in the field of marine observation.The power supply which is the key problem for unmanned observation can be solved by the solar power technology.The target of “Erratic Tide”monitoring system is to collect various marine environment data,such as wind speed and direction,temperature,relative humidity,tide,rainfall,skin water temperature,salinity,current,etc.The Filed data can be transmitted to the data center by microwave system.Finally,“Erratic Tide “monitoring system achieves the long-term unmanned operation.

lerratic tide;hydrometeorology;automatic monitoring;microwave;ADCP;ocean current;solar;video

TP274+.2；P71

A

1003-2029（2013）01-0040-03

2012-04-19

楊子原（1983-），男，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。Email:zoon8118@163.com