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基于gprs的网络化实时海流监测系统的研究第28卷第2期2009年6月海洋技术oceantechn0l0gyvo1.28,no.2june,2009基于gprs的网络化实时海流监测系统的研究刘军亮(1.中国科学院南海海洋研究所,广东广州市510301;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:针对目前海流监测中存在的种种弊端,提出基于gprs的网络化实时海流监测系统.介绍了系统的工作原理.设计了具有海流监测功能的多参数水文监测仪器,并给出了远程数据中心监控应用软件和数据中心服务器的实现方法.关键词:gprs;网络化;实时;海流监测中图分类号:p716文献标识码:b文章编号:10032o29(20o9)02002104海流是一种重要的海洋学要素,是海上交通和航运,海洋工程,海洋渔业,海洋石油开发,海上军事活动,海洋环境保护,海洋环境评价及全球气候研究最为关注的基本海洋动力参数之一.在常规的海岸带和近海的水文环境调查中,海流均是一个关键的水文要素.沿岸海区的潮流运动受海岸形状,浅海地形和潮流性质所制约,而海流(或潮余流)则受地形和风场影响较大.此外,我国沿海的许多区域,由于台风和寒潮的影响而产生短暂的增减水过程可伴生强烈的波致流.因此,获得某海区大面站的海流同步观测资料十分重要.之所以强调不同测点同步观测的重要性,主要在于以下四个方面的理由:(1)不同测点的流场变化可能存在较大的时间差异;(2)不同测点的流场变化可能存在较大的空间差异;(3)对于强风暴天气过程或孤立子内波产生的强非线性海流并无规律可循,同步获得不同测点的海流资料就更具有其重要意义;(4)数值模拟的需求.因为通过数值模拟的手段来重现整个海区的流场仍必不可少,而其模拟结果的准确性很大程度上依赖于大面站的海流同步观测资料来得以验证.传统上的海流同步观测是若干锚定测量船使用slc92,rcm7,rcm9等海流计进行准同步观测,它存在着下列问题:(1)测量数据无法实时传送,测量期间无法知道仪器是否正常工作.事后处理数据时如发现缺测,难以补救;(2)站位一般由gps定位,然后由观测人员人工记录,在恶劣海况下,观测人员因晕船等原因难以正确记录观测值,造成资料的过失误差;(3)观测时一般通过控制钢缆的长度来实现不同层次的海流准同步观测,恶劣海况下钢缆严重倾斜漂移,造成层次不准确;(4)测量船的吨位较小,恶劣海况下跑锚引起船位漂移,造成站位误差.为了解决以上问题,提出研制”基于gprs的网络化海流监测系统”.监控中心的工作人员配以可视化软件,就可以对一片海域内多个点的海流状况进行实时监测,而且可以及时发现非常规情况,通知现场观测人员重复进行观测,当确认现场观测无误时,可通知现场观测人员进行加密观测,以便对非常规现场进行追踪观测研究.基于gprs的网络化海流监测系统利用众多海流监测点进行海流监测,每个监测点的核心部分是笔者自主开发的海流监测仪器.每个监测点通过gprs无线接入internet,与中心数据服务器通信.各个海流监测点可以把海流等数据进行本地存储,并按照预先约定好的格式发回中心数据服务器.中心数据服务器通过internet将数据传送给各个用户.中心数据服务器和各个用户通过应用程序实现实时海流监测.系统总体方案如图1所示.收稿日期:20090210图1基于gprs的网络化海流监测系统总体方案基金项目:广东省科技计划项目(2006b36601007).作者简介:刘军亮(1983一),男,陕西咸阳人,硕士研究生,主要从事海洋监测技术研究.22海洋技术第28卷1海流监测点监测仪器设计图2海流监测点仪器结构图海流监测点监测仪器结构图如图2所示.仪器由通过电缆连接的水上分机和水下分机组成.水下分机主要包括微控制器,海流传感器,电子罗盘,温度传感器,压力传感器等部分.水上分机主要包括gps,lcd显示器,gprs等部分.仪器除了可以采集海流的流速流向等数据,还能通过gps定位各个海流监测点位置,通过压力传感器确定仪器入水深度,通过温度传感器测量仪器所处水层的温度,并通过lcd显示器向监测点现场工作人员显示各项数据,现场工作人员亦可凭借lcd的数据显示来判断仪器是否处于正常工作状态.1.1微处理器模块微处理器选用了美国德州仪器公司(texasinstructions)最新推出的集成数字/模拟混合信号的高性能芯片msc1210y5.msc1210y5具有很高的模拟和数字集成度,具有很强的数据处理能力.它内部集成了一个24位分辨率的一模数转换器(adc),8通道多路开关,模拟输入通道测试电流源(burnoutcurrentsources),输入缓冲器,可编程增益放大器(pga),温度传感器,内部基准电压源,8位微控制器,程序/数据flash存储器和数据sram等.msc1210y5的片内外围模块功能齐备,包括1个32位累加器,1个具有水压等水文数据的采集.1.2gprs无线通信模块gprs(generalpacketradioservice)无线通信模块是海流监测点与数据中心服务器通信的基础,采用了专门利用gsm数据传输通道进行数据传输的专用只能dtu,接口速率300-19200bps.在gprs网络监控系统中,由于mt8900是接人gprs网络的,并且分配的是gprs网络中的动态ip地址,不是intelnet的公网ip地址,因此监控中心无法直接与它连接.为了达到与mt8900进行通信的目的,mt8900特提出了一种基于数据服务的应用方案.其基本工作流程为:(1)在一台具有固定公网ip的服务器上安装gprs数据服务器软件;(2)mt8900上电后自动登录到gprs数据服务器(通过设备id和密码检验),并始终保持连接;(3)远程监控中心软件可以是任意上网方式,通过用户名和密码校验登陆到gprs数据服务器上,并始终保持连接;(4)当监控中心想要向某mt8900发送指令时,则将该mt8900的信息和所要发送的数据打包发给gprs数据服务器即可,数据服务器根据该mt8900的信息,自动转发给相应的mt8900;(5)从mt8900来的数据由gprs数据服务器接收,并根据监控中心登录的信息以及数据服务器的配置,自动转发给相应的监控中心;(6)有现成的接口函数,只需调用函数,即可轻松完成数据传输功能.1.3存储模块海洋水文监测仪器的研发,数据采集量大,因此需要一第2期刘军亮:基于gprs的网络化实时海流监测系统的研究23种使用方法简单,与处理器连接方便,容量大,功耗低的存储器,以使仪器可以长时间工作.由于海洋环境恶劣,仪器投放回收难度都很大,需要大量的人力,物力和时间,所以对存储器可靠性有较高的要求,否则仪器打捞上来无法得到可靠的数据,无疑是一种极大的浪费.经过比较和实验,选用了nandflash存储器km29u128t.km29u128t内部存储空间为(16m+512k)*8bit,采用nand结构,存储空间按”块一页”结构组织,一页528byte,一块32页,共有1024块,2.73.6v单电源供电,典型编程周期200llm,块擦除时间2ms,可进行(512+16)byte的页写操作及(16k+512)byte的块擦除操作,功耗低,速度快,可靠性较高【引.1.4双轴电磁海流传感器导电性的液体在流动时切割磁力线,会产生感生电动势.因此可应用电磁感应定律来测定流速.电磁海流计,严格地讲,应该被称为人工磁场电磁海流计,这样可以防止与地磁场电磁海流计的概念混淆.首先,人工磁场电磁海流计必须由流过一个环形线圈的电流在传感器周围产生一个磁场.流动的水体作为一个运动的导体切割磁力线时,根据法拉第电磁感应定律,产生一个感生电动势.因此,电磁海流计的接收电极上产生的感生电动势与水流的速度成正比.而在传感器的一个水平层面上设计的互相垂直安装的两对接收电极可同时测量出水流在这两个相互垂直方向上的速度分量.它们被分别称为水流速度的方向和l,方向分量.这样,我们可以根据在测量时刻电磁海流计的l,轴方向与罗盘南北轴线之间的夹角来计算被测海流速度在地理坐标上的两个分量.进而计算出被测海流的合成速度和方向.本系统中用来测量海流流速的传感器选用了双轴电磁海流传感器,辅之以电子罗盘,就可以测量出每个海流监测点的海流流速和流向方向.1.5其他模块其他主要模块包括压力传感器,温度传感器,实时时钟电路,lcd,gps及电源等模块,鉴于篇幅所限,在此就不再赘述.目前,布置于各个海流监测点的海流监测样机已经研制了出来,经过实验室和实际水文环境的多次长时间测试,结果令人满意.部分测试结果如表1所示.表1仪器各项测量参数的比测结果温度()流速(cm/s)流向(.)深度(cm)时间样机参照仪器误差样机参照仪器误差样机参照仪器误差样机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仪器布放和监测点的组成将仪器固定与浮标或登船上,并配以太阳能电池板,从而构成了一个监测点,长期的实验已经证明了这种基于浮标或灯船的海流监测技术完全可行的.然后按照用户的监测对象并结合实际监测要求在目标海域对众多仪器进行布局,就形成了一个由众多监测点构成的网络化的海流监测系统.2中心数据服务器接人方式本系统的中心服务器主要由一台高性能服务器电脑组成,通过网络运营商接入intemet,采用固定ip接入的公网组网方式,全天不间断工作.同时,通过mt8900终端数据服务器程序对中心数据服务器进行设置.这样,通过放在办公室里的中心数据服务器,就是可以随时实时接收到各项水文数据,也可通过预定指令对仪器进行实时操作.通过mt8900的终端数据服务器程序还可以添加并设置各个用户信息,这样,只要其他用户开机上线进行登陆,即可从中心数据服务器实时以转收的方式获取到各项水文数据,从而实现了中心数据服务器与各个海流监测点及各个用户的实时通信.3中心数据服务器和终端用户的应用程序本系统用visualbasic语言编写了中心数据服务器和终端用户的应用程序.实现了以下几个功能:(1)实现全天24h对各个观测点海流的流速流向,仪器所处水层深度和温度,仪器方位的实时远程监测;(2)通过预先制定好的指令,远程控制各个监控点的海流监测仪器.包括随时查询各个海流监测点的流速,流向,温度,深度,方位,时间等数据,设置各个海流监测点仪器的定时采集时间,采集密度,操作存储器进行数据回放或擦除,操作各个海流监测点仪器登陆gprs服务器;(3)对各个数据进行一些相关的处理,并以图表等直观的方式显示.本文从系统总体设计的角度阐述了基于gprs的网络化海流监测系统的系统组成和工作原理,并取得了如下成果:(1)显示了海流与测流层(深度),站位(经纬度)的同步监测,为海流参数提供了准确的三维坐标;海洋技术第28卷(2)通过gprs模块的使用,解决了常规的海流监测只能实现数据的本地存储,仪器还需投放和回收,并进行数据下载的繁琐程序,实现了多点海流的实时监测,极大的提高了监测效率和成本;(3)在海流监测点仪器的设计中软硬件兼顾,优选硬件,简化了电路.(4)终端应用程序的使用极大的方便了用户.参考文献“基于无线传输技术的海流监测仪器”已完成了原理样机的研制,并结合gprs,internet和用户应用软件对监测系统进行了初步的实验.随后将对该仪器进行改进,完善,使其成为更加实用的海洋监测仪器.如果在一片海域中多点投放该仪器,即可构成一个网络化的海流监测系统.此系统的研发具有重要意义,将在一定程度上填补国内在此领域的空白.1邓宏彬,添纳新,李志鹏.msc1210x系统级单片机原理与应用【m.北京:机械工业出版社,2004:6263.2】范勉之,陈立元.visualbasic与rs一232串行通信控制最新版mi.北京:中国青年出版社,2002:22-23.3】王盛安,spb桂,龙小敏.大容量快闪存存储器在压力式波潮仪中的应用j.仪表技术与传感器,2000(10):3132.prototypeofoceancurrentreal-timemonitoringnetworkbasedongprsf1.southchinaseainstituteofoceanology,cas,guangzhouguangdong510301,china;2.graduateschoolofthechineseacademyofsciences.beifing100039,china)abstract:theprototypeofoceancurrentmonitoringnetworkbasedongprstoresolvethe