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1、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) OCEANTECHN0L0GY Vo1.28,No.2 June,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)

2、 中圖分類(lèi)號(hào):P716文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1003—2O29(20O9)02—0021—04 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(kāi)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(guò)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

3、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(guò)程或孤立子內(nèi)波產(chǎn)生的強(qiáng)非線 性海流并無(wú)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^(guò)數(shù)值模擬的手段來(lái)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(lài)于大面站的海流同步觀測(cè)資料來(lái)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SLC9— 2,RCM7,RCM9等海流計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)同步觀測(cè),它存在著下列問(wèn) 題: (1

4、)測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)傳送,測(cè)量期間無(wú)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(guò)失誤差; (3)觀測(cè)時(shí)一般通過(guò)控制鋼纜的長(zhǎng)度來(lái)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(wèn)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

5、 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(wú)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(kāi)發(fā)的 海流監(jiān)測(cè)儀器.每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)GPRS無(wú)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(guò)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(guò)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:2

6、009—02—10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(yáng)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(guò)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(pán),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(guò)GPS定位各 個(gè)海流

7、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,通過(guò)壓力傳感器確定儀器入水深度,通 過(guò)溫度傳感器測(cè)量?jī)x器所處水層的溫度,并通過(guò)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(lái)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(kāi)關(guān),模擬輸入通道測(cè) 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(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(wú)線通信模塊 GPRS(GeneralPacketRadioService)無(wú)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(zhuān)門(mén)利用 GSM數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?zhuān)用只能DTU,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)

9、絡(luò)中的動(dòng)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(wú)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(guò)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(guò)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)

10、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(lái)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

11、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(lái)無(wú)法得到可靠的 數(shù)據(jù),無(wú)疑是一種極大的浪費(fèi).經(jīng)過(guò)比較和實(shí)驗(yàn),選用了 NAND—Flash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(yè)”結(jié)構(gòu)組織,一頁(yè)528Byte,一 塊32頁(yè),共有1024塊,2.7～3.6V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(yè)寫(xiě)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

12、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(lái)測(cè)定流速.電磁海流計(jì),嚴(yán)格 地講,應(yīng)該被稱(chēng)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(guò)一個(gè)環(huán)形線圈的電流在傳感器周?chē)a(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(chēng)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(cè)量時(shí)刻電磁海流計(jì)的l,軸方向與羅盤(pán)南北軸 線之間的夾角來(lái)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(lái)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(pán),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(lái),經(jīng)過(guò)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)

14、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+11105.78 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(cè)點(diǎn)的組成 將儀器固定與浮標(biāo)或登船上,并配以太陽(yáng)能電池板,從 而構(gòu)成了一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

15、,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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)預(yù)定指令對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)操作.通過(guò)MT8900 的終端數(shù)據(jù)服務(wù)器程

16、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(kāi)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(yǔ)言編寫(xiě)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(guò)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

17、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(guò)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)

18、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(wú)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,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(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):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