海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)的研制初探

海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備及系統(tǒng)的研制初探

文/李海成  石國平

本項目的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)體系構(gòu)架、海洋環(huán)境測量儀和海洋環(huán)境信息系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要依據(jù)國家工信部電信研究院起草的“物聯(lián)網(wǎng)概述標(biāo)準(zhǔn)草案（標(biāo)準(zhǔn)編號 Y.2060）” 和相關(guān)海洋行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行硬件和軟件設(shè)計時，結(jié)合自身相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)和經(jīng)驗積累（“一種用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)終端裝置”專利和“海洋生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)軟件”著作權(quán)），也借鑒國內(nèi)外其它海洋監(jiān)測廠家的相關(guān)海洋監(jiān)測儀器產(chǎn)品的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 海洋環(huán)境監(jiān)測 信息系統(tǒng)軟件

1 項目背景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在我國海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，目前還沒有一個完整的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋環(huán)境信息系統(tǒng)構(gòu)架、監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)軟件的解決方案。

2 項目技術(shù)實現(xiàn)依據(jù)

2.1 設(shè)計思想

本項目的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)體系構(gòu)架、海洋環(huán)境測量儀和海洋環(huán)境信息系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要依據(jù)國家工信部電信研究院起草的“物聯(lián)網(wǎng)概述標(biāo)準(zhǔn)草案（標(biāo)準(zhǔn)編號 Y.2060）” 和相關(guān)海洋行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行硬件和軟件設(shè)計時， 結(jié)合自身相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)和經(jīng)驗積累 （ “一種用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)終端裝置”專利和“海洋生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)軟件”著作權(quán)），也借鑒國內(nèi)外其它海洋監(jiān)測廠家的相關(guān)海洋監(jiān)測儀器產(chǎn)品的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

2.2.1 海洋環(huán)境多參數(shù)測量技術(shù)的實現(xiàn)

本項目針對海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器和多種類通信裝置特性，通過通用信號調(diào)電路和接口電路，及更多外設(shè)驅(qū)動和應(yīng)用程序，滿足傳感器和通信裝置的通用適配及信號處理需求。該技術(shù)在自動氣象站產(chǎn)品上得以實現(xiàn)。

2.2.2 海洋環(huán)境信息化系統(tǒng)軟件技術(shù)的實現(xiàn)

按照軟件工程理論，采用GIS系統(tǒng)原理，建立一個包括地理信息屬性數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)設(shè)備信息屬性數(shù)據(jù)庫和動態(tài)測量信息數(shù)據(jù)庫，以及數(shù)據(jù)處理和實時顯控應(yīng)用軟件的系統(tǒng)軟件構(gòu)架，通過應(yīng)用軟件實現(xiàn)通信控制、數(shù)據(jù)融合信息處理、信息預(yù)測預(yù)報等功能。該技術(shù)在福建海洋預(yù)報臺的海洋生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)軟件上得以實現(xiàn)。

2.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計和惡劣環(huán)境適應(yīng)技術(shù)

海洋儀器應(yīng)具備高低溫、雨淋、濕熱、鹽霧和腐蝕的耐受能力。借鑒以往海洋產(chǎn)品的經(jīng)驗，電路元器件采用工業(yè)級器件，電路模塊進行三防處理；機箱結(jié)構(gòu)采取密閉設(shè)計，熱傳導(dǎo)散熱，表面三防處理。

3 項目主要研究內(nèi)容

3.1 海洋環(huán)境信息化系統(tǒng)體系構(gòu)架

作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架的海洋環(huán)境信息化系統(tǒng)，信息通信傳遞的報文格式和協(xié)議是項目最重要的研究內(nèi)容之一，應(yīng)進行專門論證和研究，并優(yōu)先形成確定的結(jié)果報告—《海洋環(huán)境信息化系統(tǒng)信息通信傳遞報文格式和協(xié)議》，以便指導(dǎo)和規(guī)范前端智能裝置（海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測儀）和后端海洋環(huán)境信息化軟件中的數(shù)據(jù)交換、傳輸格式與規(guī)則。

3.2 多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測儀器技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測儀器的主要研究內(nèi)容是多種類傳感器的通用適配連接、通信和控制裝置的通用適配連接，以及基于嵌入式計算機的信號采集和處理技術(shù)。

3.3 海洋環(huán)境信息化系統(tǒng)軟件技術(shù)

海洋環(huán)境信息化系統(tǒng)軟件決定該系統(tǒng)的功能和服務(wù)保障能力，包括三個層次的三個版本軟件：用于海洋監(jiān)測站的“海洋環(huán)境監(jiān)測終端軟件”，用于分局和地方海洋部門的“海洋環(huán)境信息分中心軟件”，用于國家局的“海洋環(huán)境信息中心軟件”。

3.4 海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器是該系統(tǒng)最重要的內(nèi)容之一，國內(nèi)器件和材料等一些基礎(chǔ)能力的不足，多數(shù)環(huán)境監(jiān)測傳感器不得不依賴進口。因此，本項目將依據(jù)國內(nèi)實際情況和能力，針對性的開展傳感器的研究和開發(fā)工作。

4 項目技術(shù)路線

4.1 多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測儀技術(shù)

4.1.1 海洋環(huán)境傳感器

由于是海洋環(huán)境監(jiān)測儀的關(guān)鍵部件，其可靠性、穩(wěn)定性和測量精度決定整個系統(tǒng)的綜合監(jiān)測性能。本項目中，物理參數(shù)傳感器采用自制和配套國內(nèi)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品方式解決；項目實施初期，化學(xué)參數(shù)和生物參數(shù)傳感器配套選用進口優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；項目實施過程中，有選擇地開展化學(xué)參數(shù)和生物參數(shù)傳感器的研仿工作，逐步提高產(chǎn)品的國產(chǎn)化率。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集處理器

海洋環(huán)境監(jiān)測儀傳感器信號數(shù)據(jù)采集處理器包括：

（1）傳感器的通用化適配接入。數(shù)據(jù)采集處理器有 8 個通用模擬傳感器信號輸入接口，每個輸入接口可任意連接一個 4-20mA、0-10mA、1-5V、0-5V 四種標(biāo)準(zhǔn)信號輸出或任意幅度范圍非標(biāo)準(zhǔn)信號輸出的傳感器。數(shù)據(jù)采集處理器有 8 個通用開關(guān)電平信號輸入接口，每個輸入接口可任意連接一個最大幅度不超過 30V 的開關(guān)電平信號（狀態(tài)傳感信號）。

數(shù) 據(jù) 采 集 處 理 器 還 有 1 個 專 用 的1-WireBus 數(shù)字傳感器信號接口和 RS232、RS485、RS422、USB、CAN 等幾個可復(fù)用的數(shù)字傳感器信號通信接口，每個接口可任意連接一個符合以上通信接口電氣標(biāo)準(zhǔn)的傳感器。

（2）通信裝置的通用化適配接入。數(shù)據(jù)采集處理器有 RS232（2 個）、RS485、RS422、CAN、USB（2個）和 LAN 等6種總計 8 個通信接口，每個接口可任意連接一個符合以上通信接口電氣標(biāo)準(zhǔn)的通信裝置。

（3）執(zhí)行裝置的通用化適配接入。數(shù)據(jù)采集處理器有 4 路開關(guān)量（TTL）信號和 4 路觸點（250VAC10A）輸出接口，每個接口可任意連接一個符合以上電氣標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行裝置或電氣設(shè)備。

（4）網(wǎng)絡(luò)的通用化適配接入。數(shù)據(jù)采集處理器通過以太網(wǎng)接口以有線方式接入公網(wǎng)，也能以 GPRS 和 3G 以無線方式接入公網(wǎng)，還能通過所有幾種通信接口混合進行內(nèi)部組網(wǎng)。在本終端裝置接入公網(wǎng)時，遵循通用的通信協(xié)議，內(nèi)部組網(wǎng)時視兩者之間的接口方式而定。

（5）ARM 嵌入式計算機平臺。數(shù)據(jù)采集處理器的信號采集和處理、通信和控制功能均由 ARM 嵌入式計算機平臺來實現(xiàn)。該平臺在硬件組成上采用ARM9 嵌入式 MCU 芯片，FLASH 和 RAM 存儲器、時鐘、LCD 觸摸屏接口等電路。

4.2 信息系統(tǒng)軟件

各軟件的構(gòu)成內(nèi)容如下：

（1）顯示和控制軟件：數(shù)據(jù)顯控界面；地圖顯控界面；視頻顯控界面；觀測站信息顯示。

（2）信息融合處理軟件：信息匯集；數(shù)據(jù)同化；算法計算。

（3） 預(yù)測預(yù)報軟件：預(yù)測算法；預(yù)報模式；預(yù)測預(yù)報產(chǎn)品生成。

（4）通信管理軟件：通信協(xié)議管理；通信參數(shù)設(shè)定；通信設(shè)備控制；信息共享。

（5）數(shù)據(jù)庫軟件：地理信息屬性數(shù)據(jù)庫；觀測站信息屬性數(shù)據(jù)庫；觀測站觀測數(shù)據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)庫維護。

作者單位

江蘇吉美思物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)股份有限公司　江蘇省南京市　210012