[doc格式] 基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究第28卷第2期2009年6月海洋技術(shù)OCEANTECHN0L0GYVo1.28,No.2June,2009基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究劉軍亮(1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所,廣東廣州市510301;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要:針對(duì)目前海流監(jiān)測(cè)中存在的種種弊端,提出基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng).介紹了系統(tǒng)的工作原理.設(shè)計(jì)了具有海流監(jiān)測(cè)功能的多參數(shù)水文監(jiān)測(cè)儀器,并給出了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心監(jiān)控應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方法.關(guān)鍵詞:GPRS;網(wǎng)絡(luò)化;實(shí)時(shí);海流監(jiān)測(cè)中圖分類號(hào):P716文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):10032O29(20O9)02002104海流是一種重要的海洋學(xué)要素,是海上交通和航運(yùn),海洋工程,海洋漁業(yè),海洋石油開發(fā),海上軍事活動(dòng),海洋環(huán)境保護(hù),海洋環(huán)境評(píng)價(jià)及全球氣候研究最為關(guān)注的基本海洋動(dòng)力參數(shù)之一.在常規(guī)的海岸帶和近海的水文環(huán)境調(diào)查中,海流均是一個(gè)關(guān)鍵的水文要素.沿岸海區(qū)的潮流運(yùn)動(dòng)受海岸形狀,淺海地形和潮流性質(zhì)所制約,而海流(或潮余流)則受地形和風(fēng)場(chǎng)影響較大.此外,我國(guó)沿海的許多區(qū)域,由于臺(tái)風(fēng)和寒潮的影響而產(chǎn)生短暫的增減水過程可伴生強(qiáng)烈的波致流.因此,獲得某海區(qū)大面站的海流同步觀測(cè)資料十分重要.之所以強(qiáng)調(diào)不同測(cè)點(diǎn)同步觀測(cè)的重要性,主要在于以下四個(gè)方面的理由:(1)不同測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)變化可能存在較大的時(shí)間差異;(2)不同測(cè)點(diǎn)的流場(chǎng)變化可能存在較大的空間差異;(3)對(duì)于強(qiáng)風(fēng)暴天氣過程或孤立子內(nèi)波產(chǎn)生的強(qiáng)非線性海流并無規(guī)律可循,同步獲得不同測(cè)點(diǎn)的海流資料就更具有其重要意義;(4)數(shù)值模擬的需求.因?yàn)橥ㄟ^數(shù)值模擬的手段來重現(xiàn)整個(gè)海區(qū)的流場(chǎng)仍必不可少,而其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于大面站的海流同步觀測(cè)資料來得以驗(yàn)證.傳統(tǒng)上的海流同步觀測(cè)是若干錨定測(cè)量船使用SLC92,RCM7,RCM9等海流計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)同步觀測(cè),它存在著下列問題:(1)測(cè)量數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳送,測(cè)量期間無法知道儀器是否正常工作.事后處理數(shù)據(jù)時(shí)如發(fā)現(xiàn)缺測(cè),難以補(bǔ)救;(2)站位一般由GPS定位,然后由觀測(cè)人員人工記錄,在惡劣海況下,觀測(cè)人員因暈船等原因難以正確記錄觀測(cè)值,造成資料的過失誤差;(3)觀測(cè)時(shí)一般通過控制鋼纜的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)不同層次的海流準(zhǔn)同步觀測(cè),惡劣海況下鋼纜嚴(yán)重傾斜漂移,造成層次不準(zhǔn)確;(4)測(cè)量船的噸位較小,惡劣海況下跑錨引起船位漂移,造成站位誤差.為了解決以上問題,提出研制”基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”.監(jiān)控中心的工作人員配以可視化軟件,就可以對(duì)一片海域內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的海流狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),而且可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)非常規(guī)情況,通知現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)人員重復(fù)進(jìn)行觀測(cè),當(dāng)確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)無誤時(shí),可通知現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)人員進(jìn)行加密觀測(cè),以便對(duì)非常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行追蹤觀測(cè)研究.基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用眾多海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行海流監(jiān)測(cè),每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的核心部分是筆者自主開發(fā)的海流監(jiān)測(cè)儀器.每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過GPRS無線接入Internet,與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器通信.各個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以把海流等數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ),并按照預(yù)先約定好的格式發(fā)回中心數(shù)據(jù)服務(wù)器.中心數(shù)據(jù)服務(wù)器通過Internet將數(shù)據(jù)傳送給各個(gè)用戶.中心數(shù)據(jù)服務(wù)器和各個(gè)用戶通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)海流監(jiān)測(cè).系統(tǒng)總體方案如圖1所示.收稿日期:20090210圖1基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案基金項(xiàng)目:廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2006B36601007).作者簡(jiǎn)介:劉軍亮(1983一),男,陜西咸陽人,碩士研究生,主要從事海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)研究.22海洋技術(shù)第28卷1海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)圖2海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器結(jié)構(gòu)圖海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)儀器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.儀器由通過電纜連接的水上分機(jī)和水下分機(jī)組成.水下分機(jī)主要包括微控制器,海流傳感器,電子羅盤,溫度傳感器,壓力傳感器等部分.水上分機(jī)主要包括GPS,LCD顯示器,GPRS等部分.儀器除了可以采集海流的流速流向等數(shù)據(jù),還能通過GPS定位各個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,通過壓力傳感器確定儀器入水深度,通過溫度傳感器測(cè)量?jī)x器所處水層的溫度,并通過LCD顯示器向監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作人員顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)工作人員亦可憑借LCD的數(shù)據(jù)顯示來判斷儀器是否處于正常工作狀態(tài).1.1微處理器模塊微處理器選用了美國(guó)德州儀器公司(TexasInstructions)最新推出的集成數(shù)字/模擬混合信號(hào)的高性能芯片MSC1210Y5.MSC1210Y5具有很高的模擬和數(shù)字集成度,具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力.它內(nèi)部集成了一個(gè)24位分辨率的一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),8通道多路開關(guān),模擬輸入通道測(cè)試電流源(BurnoutCurrentSources),輸入緩沖器,可編程增益放大器(PGA),溫度傳感器,內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源,8位微控制器,程序/數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)SRAM等.MSC1210Y5的片內(nèi)外圍模塊功能齊備,包括1個(gè)32位累加器,1個(gè)具有水壓等水文數(shù)據(jù)的采集.1.2GPRS無線通信模塊GPRS(GeneralPacketRadioService)無線通信模塊是海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通信的基礎(chǔ),采用了專門利用GSM數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ弥荒蹹TU,接口速率300-19200bps.在GPRS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中,由于MT8900是接人GPRS網(wǎng)絡(luò)的,并且分配的是GPRS網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)IP地址,不是Intelnet的公網(wǎng)IP地址,因此監(jiān)控中心無法直接與它連接.為了達(dá)到與MT8900進(jìn)行通信的目的,MT8900特提出了一種基于數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用方案.其基本工作流程為:(1)在一臺(tái)具有固定公網(wǎng)IP的服務(wù)器上安裝GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件;(2)MT8900上電后自動(dòng)登錄到GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)器(通過設(shè)備ID和密碼檢驗(yàn)),并始終保持連接;(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件可以是任意上網(wǎng)方式,通過用戶名和密碼校驗(yàn)登陸到GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)器上,并始終保持連接;(4)當(dāng)監(jiān)控中心想要向某MT8900發(fā)送指令時(shí),則將該MT8900的信息和所要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包發(fā)給GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)器即可,數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)該MT8900的信息,自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的MT8900;(5)從MT8900來的數(shù)據(jù)由GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)器接收,并根據(jù)監(jiān)控中心登錄的信息以及數(shù)據(jù)服務(wù)器的配置,自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)控中心;(6)有現(xiàn)成的接口函數(shù),只需調(diào)用函數(shù),即可輕松完成數(shù)據(jù)傳輸功能.1.3存儲(chǔ)模塊海洋水文監(jiān)測(cè)儀器的研發(fā),數(shù)據(jù)采集量大,因此需要一第2期劉軍亮:基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究23種使用方法簡(jiǎn)單,與處理器連接方便,容量大,功耗低的存儲(chǔ)器,以使儀器可以長(zhǎng)時(shí)間工作.由于海洋環(huán)境惡劣,儀器投放回收難度都很大,需要大量的人力,物力和時(shí)間,所以對(duì)存儲(chǔ)器可靠性有較高的要求,否則儀器打撈上來無法得到可靠的數(shù)據(jù),無疑是一種極大的浪費(fèi).經(jīng)過比較和實(shí)驗(yàn),選用了NANDFlash存儲(chǔ)器KM29U128T.KM29U128T內(nèi)部存儲(chǔ)空間為(16M+512K)*8Bit,采用NAND結(jié)構(gòu),存儲(chǔ)空間按”塊一頁”結(jié)構(gòu)組織,一頁528Byte,一塊32頁,共有1024塊,2.73.6V單電源供電,典型編程周期200LLm,塊擦除時(shí)間2ms,可進(jìn)行(512+16)Byte的頁寫操作及(16K+512)Byte的塊擦除操作,功耗低,速度快,可靠性較高【引.1.4雙軸電磁海流傳感器導(dǎo)電性的液體在流動(dòng)時(shí)切割磁力線,會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì).因此可應(yīng)用電磁感應(yīng)定律來測(cè)定流速.電磁海流計(jì),嚴(yán)格地講,應(yīng)該被稱為人工磁場(chǎng)電磁海流計(jì),這樣可以防止與地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)的概念混淆.首先,人工磁場(chǎng)電磁海流計(jì)必須由流過一個(gè)環(huán)形線圈的電流在傳感器周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng).流動(dòng)的水體作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體切割磁力線時(shí),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢(shì).因此,電磁海流計(jì)的接收電極上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)與水流的速度成正比.而在傳感器的一個(gè)水平層面上設(shè)計(jì)的互相垂直安裝的兩對(duì)接收電極可同時(shí)測(cè)量出水流在這兩個(gè)相互垂直方向上的速度分量.它們被分別稱為水流速度的方向和l,方向分量.這樣,我們可以根據(jù)在測(cè)量時(shí)刻電磁海流計(jì)的l,軸方向與羅盤南北軸線之間的夾角來計(jì)算被測(cè)海流速度在地理坐標(biāo)上的兩個(gè)分量.進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)海流的合成速度和方向.本系統(tǒng)中用來測(cè)量海流流速的傳感器選用了雙軸電磁海流傳感器,輔之以電子羅盤,就可以測(cè)量出每個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)的海流流速和流向方向.1.5其他模塊其他主要模塊包括壓力傳感器,溫度傳感器,實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路,LCD,GPS及電源等模塊,鑒于篇幅所限,在此就不再贅述.目前,布置于各個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)的海流監(jiān)測(cè)樣機(jī)已經(jīng)研制了出來,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際水文環(huán)境的多次長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試,結(jié)果令人滿意.部分測(cè)試結(jié)果如表1所示.表1儀器各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)的比測(cè)結(jié)果溫度()流速(cm/s)流向(.)深度(cm)時(shí)間樣機(jī)參照儀器誤差樣機(jī)參照儀器誤差樣機(jī)參照儀器誤差樣機(jī)11:0026_2126.44一O.2314.313.1+1.2279268+11105.7811:1026382644一O.O61O.795+12282268+14109.3411:2026.252644一O.1912914.81.925426814115.7011:30264026.44一O.0414.3131+1.2279268+11121.491.6儀器布放和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的組成將儀器固定與浮標(biāo)或登船上,并配以太陽能電池板,從而構(gòu)成了一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了這種基于浮標(biāo)或燈船的海流監(jiān)測(cè)技術(shù)完全可行的.然后按照用戶的監(jiān)測(cè)對(duì)象并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)要求在目標(biāo)海域?qū)Ρ姸鄡x器進(jìn)行布局,就形成了一個(gè)由眾多監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化的海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng).2中心數(shù)據(jù)服務(wù)器接人方式本系統(tǒng)的中心服務(wù)器主要由一臺(tái)高性能服務(wù)器電腦組成,通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商接入Intemet,采用固定IP接入的公網(wǎng)組網(wǎng)方式,全天不間斷工作.同時(shí),通過MT8900終端數(shù)據(jù)服務(wù)器程序?qū)χ行臄?shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置.這樣,通過放在辦公室里的中心數(shù)據(jù)服務(wù)器,就是可以隨時(shí)實(shí)時(shí)接收到各項(xiàng)水文數(shù)據(jù),也可通過預(yù)定指令對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)操作.通過MT8900的終端數(shù)據(jù)服務(wù)器程序還可以添加并設(shè)置各個(gè)用戶信息,這樣,只要其他用戶開機(jī)上線進(jìn)行登陸,即可從中心數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)以轉(zhuǎn)收的方式獲取到各項(xiàng)水文數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)了中心數(shù)據(jù)服務(wù)器與各個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)及各個(gè)用戶的實(shí)時(shí)通信.3中心數(shù)據(jù)服務(wù)器和終端用戶的應(yīng)用程序本系統(tǒng)用VisualBasic語言編寫了中心數(shù)據(jù)服務(wù)器和終端用戶的應(yīng)用程序.實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能:(1)實(shí)現(xiàn)全天24h對(duì)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)海流的流速流向,儀器所處水層深度和溫度,儀器方位的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);(2)通過預(yù)先制定好的指令,遠(yuǎn)程控制各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的海流監(jiān)測(cè)儀器.包括隨時(shí)查詢各個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速,流向,溫度,深度,方位,時(shí)間等數(shù)據(jù),設(shè)置各個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器的定時(shí)采集時(shí)間,采集密度,操作存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)回放或擦除,操作各個(gè)海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器登陸GPRS服務(wù)器;(3)對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些相關(guān)的處理,并以圖表等直觀的方式顯示.本文從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的角度闡述了基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)化海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理,并取得了如下成果:(1)顯示了海流與測(cè)流層(深度),站位(經(jīng)緯度)的同步監(jiān)測(cè),為海流參數(shù)提供了準(zhǔn)確的三維坐標(biāo);海洋技術(shù)第28卷(2)通過GPRS模塊的使用,解決了常規(guī)的海流監(jiān)測(cè)只能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ),儀器還需投放和回收,并進(jìn)行數(shù)據(jù)下載的繁瑣程序,實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)海流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),極大的提高了監(jiān)測(cè)效率和成本;(3)在海流監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器的設(shè)計(jì)中軟硬件兼顧,優(yōu)選硬件,簡(jiǎn)化了電路.(4)終端應(yīng)用程序的使用極大的方便了用戶.參考文獻(xiàn)“基于無線傳輸技術(shù)的海流監(jiān)測(cè)儀器”已完成了原理樣機(jī)的研制,并結(jié)合GPRS,Internet和用戶應(yīng)用軟件對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn).隨后將對(duì)該儀器進(jìn)行改進(jìn),完善,使其成為更加實(shí)用的海洋監(jiān)測(cè)儀器.如果在一片海域中多點(diǎn)投放該儀器,即可構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的海流監(jiān)測(cè)系統(tǒng).此系統(tǒng)的研發(fā)具有重要意義,將在一定程度上填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的空白.1鄧宏彬,添納新,李志鵬.MSC1210X系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)原理與應(yīng)用【M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:6263.2】范勉之,陳立元.VisualBasic與RS一232串行通信控制最新版MI.北京:中國(guó)青年出版社,2002:22-23.3】王盛安,SPb桂,龍小敏.大容量快閃存存儲(chǔ)器在壓力式波潮儀中的應(yīng)用J.儀表技術(shù)與傳感器,2000(10):3132.PrototypeofOceanCurrentReal-timeMonitoringNetworkBasedonGPRSf1.SouthChinaSeaInstituteofOceanology,CAS,GuangzhouGuangdong510301,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences.Beifing100039,China)Abstract:TheprototypeofoceancurrentmonitoringnetworkbasedonGPRStoresolvethelotsofshortcomingsduringseacurrentmonitoringisintroduced.Atthesametime,theprincipleofthesystemisalsointroduced,alongwithdesigningthemonitoringequipmentwithmultipleparametersandrealizingthemonitoringsoftwareandtheserverindatabasecenter.Keywords:GPRS;network;realtime;oceanmonitoring