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1、基于GPRS的網(wǎng)絡化實時海流監(jiān)測系統(tǒng)的研究 第28卷第2期 2009年6月 海洋技術(shù) OCEANTECHN0L0GY Vo1.28,No.2 June,2009 基于GPRS的網(wǎng)絡化實時海流監(jiān)測系統(tǒng)的研究 劉軍亮 (1.中國科學院南海海洋研究所,廣東廣州市510301;2.中國科學院研究生院,北京100039) 摘要:針對目前海流監(jiān)測中存在的種種弊端,提出基于GPRS的網(wǎng)絡化實時海流監(jiān)測系統(tǒng).介紹了系統(tǒng)的工作原 理.設計了具有海流監(jiān)測功能的多參數(shù)水文監(jiān)測儀器,并給出了遠程數(shù)據(jù)中心監(jiān)控應用軟件和數(shù)據(jù)中心服務器的 實現(xiàn)方法. 關(guān)鍵詞:GPRS;網(wǎng)絡化;實時;海流監(jiān)測

2、 中圖分類號:P716文獻標識碼:B文章編號:1003—2O29(20O9)02—0021—04 海流是一種重要的海洋學要素,是海上交通和航運,海 洋工程,海洋漁業(yè),海洋石油開發(fā),海上軍事活動,海洋環(huán)境 保護,海洋環(huán)境評價及全球氣候研究最為關(guān)注的基本海洋動 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 個關(guān)鍵的水文要素.沿岸海區(qū)的潮流運動受海岸形狀,淺海 地形和潮流性質(zhì)所制約,而海流(或潮余流)則受地形和風場 影響較大.此外,我國沿海的許多區(qū)域,由于臺風和寒潮的影 響而產(chǎn)生短暫的增減水過程可伴生強烈的波致流.因此,獲 得某海區(qū)大面站的海流同步觀測資料十分重

3、要.之所以強調(diào) 不同測點同步觀測的重要性,主要在于以下四個方面的理 由: (1)不同測點的流場變化可能存在較大的時間差異; (2)不同測點的流場變化可能存在較大的空間差異; (3)對于強風暴天氣過程或孤立子內(nèi)波產(chǎn)生的強非線 性海流并無規(guī)律可循,同步獲得不同測點的海流資料就更具 有其重要意義; (4)數(shù)值模擬的需求.因為通過數(shù)值模擬的手段來重現(xiàn) 整個海區(qū)的流場仍必不可少,而其模擬結(jié)果的準確性很大程 度上依賴于大面站的海流同步觀測資料來得以驗證. 傳統(tǒng)上的海流同步觀測是若干錨定測量船使用SLC9— 2,RCM7,RCM9等海流計進行準同步觀測,它存在著下列問 題: (1

4、)測量數(shù)據(jù)無法實時傳送,測量期間無法知道儀器是 否正常工作.事后處理數(shù)據(jù)時如發(fā)現(xiàn)缺測,難以補救; (2)站位一般由GPS定位,然后由觀測人員人工記錄, 在惡劣海況下,觀測人員因暈船等原因難以正確記錄觀測 值,造成資料的過失誤差; (3)觀測時一般通過控制鋼纜的長度來實現(xiàn)不同層次 的海流準同步觀測,惡劣海況下鋼纜嚴重傾斜漂移,造成層 次不準確; (4)測量船的噸位較小,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)絡化海 流監(jiān)測系統(tǒng)”.監(jiān)控中心的工作人員配以可視化軟件,就可以 對一片海域內(nèi)多個點的海流狀況進行實時監(jiān)測,而且可以及

5、 時發(fā)現(xiàn)非常規(guī)情況,通知現(xiàn)場觀測人員重復進行觀測,當確 認現(xiàn)場觀測無誤時,可通知現(xiàn)場觀測人員進行加密觀測,以 便對非常規(guī)現(xiàn)場進行追蹤觀測研究. 基于GPRS的網(wǎng)絡化海流監(jiān)測系統(tǒng)利用眾多海流監(jiān)測 點進行海流監(jiān)測,每個監(jiān)測點的核心部分是筆者自主開發(fā)的 海流監(jiān)測儀器.每個監(jiān)測點通過GPRS無線接入Internet,與 中心數(shù)據(jù)服務器通信.各個海流監(jiān)測點可以把海流等數(shù)據(jù)進 行本地存儲,并按照預先約定好的格式發(fā)回中心數(shù)據(jù)服務 器.中心數(shù)據(jù)服務器通過Internet將數(shù)據(jù)傳送給各個用戶.中 心數(shù)據(jù)服務器和各個用戶通過應用程序?qū)崿F(xiàn)實時海流監(jiān)測. 系統(tǒng)總體方案如圖1所示. 收稿日期:2

6、009—02—10圖1基于GPRS的網(wǎng)絡化海流監(jiān)測系統(tǒng)總體方案 基金項目:廣東省科技計劃項目(2006B36601007). 作者簡介:劉軍亮(1983一),男,陜西咸陽人,碩士研究生,主要從事 海洋監(jiān)測技術(shù)研究. 22海洋技術(shù)第28卷 1海流監(jiān)測點監(jiān)測儀器設計 圖2海流監(jiān)測點儀器結(jié)構(gòu)圖 海流監(jiān)測點監(jiān)測儀器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.儀器由通過電 纜連接的水上分機和水下分機組成.水下分機主要包括微控 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 個海流

7、監(jiān)測點位置,通過壓力傳感器確定儀器入水深度,通 過溫度傳感器測量儀器所處水層的溫度,并通過LCD顯示 器向監(jiān)測點現(xiàn)場工作人員顯示各項數(shù)據(jù),現(xiàn)場工作人員亦可 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德州儀器公司(TexasInstructions) 最新推出的集成數(shù)字/模擬混合信號的高性能芯片 MSC1210Y5.MSC1210Y5具有很高的模擬和數(shù)字集成度,具 有很強的數(shù)據(jù)處理能力.它內(nèi)部集成了一個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 試電流源(Burn—outCurrentSourc

8、es),輸入緩沖器,可編程增 益放大器(PGA),溫度傳感器,內(nèi)部基準電壓源,8位微控制 器,程序/數(shù)據(jù)Flash存儲器和數(shù)據(jù)SRAM等…. MSC1210Y5的片內(nèi)外圍模塊功能齊備,包括1個32位 累加器,1個具有水壓等水文數(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)測點與數(shù)據(jù)中心服務器通信的基礎,采用了專門利用 GSM數(shù)據(jù)傳輸通道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ｓ弥荒蹹TU,接口速 率300-19200bps. 在GPRS網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中,由于MT8900是接人GPRS 網(wǎng)絡的,并且分配的是GPRS網(wǎng)

9、絡中的動態(tài)IP地址,不是In— tel’net的公網(wǎng)IP地址,因此監(jiān)控中心無法直接與它連接.為 了達到與MT8900進行通信的目的,MT8900特提出了一種 基于數(shù)據(jù)服務的應用方案. 其基本工作流程為: (1)在一臺具有固定公網(wǎng)IP的服務器上安裝GPRS數(shù) 據(jù)服務器軟件; (2)MT8900上電后自動登錄到GPRS數(shù)據(jù)服務器(通 過設備ID和密碼檢驗),并始終保持連接; (3)遠程監(jiān)控中心軟件可以是任意上網(wǎng)方式,通過用戶 名和密碼校驗登陸到GPRS數(shù)據(jù)服務器上,并始終保持連 接; (4)當監(jiān)控中心想要向某MT8900發(fā)送指令時,則將該 MT8900的信息和所要發(fā)送的數(shù)

10、據(jù)打包發(fā)給GPRS數(shù)據(jù)服務 器即可,數(shù)據(jù)服務器根據(jù)該MT8900的信息,自動轉(zhuǎn)發(fā)給相 應的MT8900; (5)從MT8900來的數(shù)據(jù)由GPRS數(shù)據(jù)服務器接收,并 根據(jù)監(jiān)控中心登錄的信息以及數(shù)據(jù)服務器的配置,自動轉(zhuǎn)發(fā) 給相應的監(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存儲模塊 海洋水文監(jiān)測儀器的研發(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)絡化實時海流監(jiān)測系統(tǒng)的研究23 種使用方法簡單,與處理器連接方便,容量大,功耗低的存儲 器,以使儀器可以長時間工作.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

11、力,物力和時間,所以對存儲 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.經(jīng)過比較和實驗,選用了 NAND—Flash存儲器KM29U128T. KM29U128T內(nèi)部存儲空間為(16M+512K)*8Bit,采用 NAND結(jié)構(gòu),存儲空間按”塊一頁”結(jié)構(gòu)組織,一頁528Byte,一 塊32頁,共有1024塊,2.7～3.6V單電源供電,典型編程周 期200LLm,塊擦除時間2ms,可進行(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 導電性的液體

12、在流動時切割磁力線,會產(chǎn)生感生電動 勢.因此可應用電磁感應定律來測定流速.電磁海流計,嚴格 地講,應該被稱為人工磁場電磁海流計,這樣可以防止與地 磁場電磁海流計的概念混淆.首先,人工磁場電磁海流計必 須由流過一個環(huán)形線圈的電流在傳感器周圍產(chǎn)生一個磁場. 流動的水體作為一個運動的導體切割磁力線時,根據(jù)法拉第 電磁感應定律,產(chǎn)生一個感生電動勢.因此,電磁海流計的接 收電極上產(chǎn)生的感生電動勢與水流的速度成正比.而在傳感 器的一個水平層面上設計的互相垂直安裝的兩對接收電極 可同時測量出水流在這兩個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

13、可以根據(jù)在測量時刻電磁海流計的l,軸方向與羅盤南北軸 線之間的夾角來計算被測海流速度在地理坐標上的兩個分 量.進而計算出被測海流的合成速度和方向. 本系統(tǒng)中用來測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,就可以測量出每個海流監(jiān)測 點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,實時時鐘 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,布置于各個海流監(jiān)測點的海流監(jiān)測樣機已經(jīng)研 制了出來,經(jīng)過實驗室和實際水文環(huán)境的多次長時間測試, 結(jié)果令人滿意.部分測試結(jié)果如表1所示. 表1儀器各項測量參數(shù)的比測

14、結(jié)果 溫度(℃)流速(cm/s)流向(.)深度(cm) 時間 樣機參照儀器誤差樣機參照儀器誤差樣機參照儀器誤差樣機 11:0026_2126.44一O.2314.313.1+1.2279268+11105.78 11:1026382644一O.O61O.795+12282268+14109.34 11:2026.252644一O.1912914.8—1.9254268—14115.70 11:30264026.44一O.0414.3131+1.2279268+11121.49 1.6儀器布放和監(jiān)測點的組成 將儀器固定與浮標或登船上,并配以太陽能電池板,從 而構(gòu)成了一個監(jiān)測點

15、,長期的實驗已經(jīng)證明了這種基于浮標 或燈船的海流監(jiān)測技術(shù)完全可行的.然后按照用戶的監(jiān)測對 象并結(jié)合實際監(jiān)測要求在目標海域?qū)Ρ姸鄡x器進行布局,就 形成了一個由眾多監(jiān)測點構(gòu)成的網(wǎng)絡化的海流監(jiān)測系統(tǒng). 2中心數(shù)據(jù)服務器接人方式 本系統(tǒng)的中心服務器主要由一臺高性能服務器電腦組 成,通過網(wǎng)絡運營商接入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,通過MT8900終端數(shù)據(jù)服務 器程序?qū)χ行臄?shù)據(jù)服務器進行設置.這樣,通過放在辦公室 里的中心數(shù)據(jù)服務器,就是可以隨時實時接收到各項水文數(shù) 據(jù),也可通過預定指令對儀器進行實時操作.通過MT8900 的終端數(shù)據(jù)服務器程

16、序還可以添加并設置各個用戶信息,這 樣,只要其他用戶開機上線進行登陸,即可從中心數(shù)據(jù)服務 器實時以轉(zhuǎn)收的方式獲取到各項水文數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)了中心 數(shù)據(jù)服務器與各個海流監(jiān)測點及各個用戶的實時通信. 3中心數(shù)據(jù)服務器和終端用戶的應用程序 本系統(tǒng)用VisualBasic語言編寫了中心數(shù)據(jù)服務器和終 端用戶的應用程序.實現(xiàn)了以下幾個功能: (1)實現(xiàn)全天24h對各個觀測點海流的流速流向,儀器 所處水層深度和溫度,儀器方位的實時遠程監(jiān)測; (2)通過預先制定好的指令,遠程控制各個監(jiān)控點的海 流監(jiān)測儀器.包括隨時查詢各個海流監(jiān)測點的流速,流向,溫 度,深度,方位,時間等數(shù)據(jù),設置各個海

17、流監(jiān)測點儀器的定 時采集時間,采集密度,操作存儲器進行數(shù)據(jù)回放或擦除,操 作各個海流監(jiān)測點儀器登陸GPRS服務器; (3)對各個數(shù)據(jù)進行一些相關(guān)的處理,并以圖表等直觀 的方式顯示. 本文從系統(tǒng)總體設計的角度闡述了基于GPRS的網(wǎng)絡 化海流監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理,并取得了如下成 果: (1)顯示了海流與測流層(深度),站位(經(jīng)緯度)的同步 監(jiān)測,為海流參數(shù)提供了準確的三維坐標; 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)測只 能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲,儀器還需投放和回收,并進行數(shù)據(jù) 下載的繁瑣程序,實現(xiàn)了多點海流的實時監(jiān)測,極大的提高 了監(jiān)測

18、效率和成本; (3)在海流監(jiān)測點儀器的設計中軟硬件兼顧,優(yōu)選硬 件,簡化了電路. (4)終端應用程序的使用極大的方便了用戶. 參考文獻 “基于無線傳輸技術(shù)的海流監(jiān)測儀器”已完成了原理樣 機的研制,并結(jié)合GPRS,Internet和用戶應用軟件對監(jiān)測系 統(tǒng)進行了初步的實驗.隨后將對該儀器進行改進,完善,使其 成為更加實用的海洋監(jiān)測儀器.如果在一片海域中多點投放 該儀器,即可構(gòu)成一個網(wǎng)絡化的海流監(jiān)測系統(tǒng).此系統(tǒng)的研 發(fā)具有重要意義,將在一定程度上填補國內(nèi)在此領域的空 白. [1]鄧宏彬,添納新,李志鵬.MSC1210X系統(tǒng)級單片機原理與應用【M].北京:機械工業(yè)出版社,20

19、04:62~63. [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.大容量快閃存存儲器在壓力式波潮儀中的應用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2000(10):31—32. PrototypeofOceanCurrentReal-timeMonitoringNetwork BasedonGPRS f1.SouthChinaSeaInstituteofOceanology,CAS,GuangzhouGuangdong510301,China; 2.GraduateSchoolof

20、theChineseAcademyofSciences.Beifing100039,China) Abstract:TheprototypeofoceancurrentmonitoringnetworkbasedonGPRStoresolvethelotsofshortcomingsduringseacurrent monitoringisintroduced.Atthesametime,theprincipleofthesystemisalsointroduced,alongwithdesigningthemonitoringequip— mentwithmultipleparametersandrealizingthemonitoringsoftwareandtheserverindatabasecenter. Keywords:GPRS;network;real—time;oceanmonitoring