基于GPRS的網絡化實時海流監(jiān)測系統(tǒng)的研究第28卷第2期2009年6月海洋技術OCEANTECHN0L0GYVo1.28,No.2June,2009基于GPRS的網絡化實時海流監(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)據中心監(jiān)控應用軟件和數(shù)據中心服務器的實現(xiàn)方法.關鍵詞:GPRS;網絡化;實時;海流監(jiān)測中圖分類號:P716文獻標識碼:B文章編號:10032O29(20O9)02002104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)境調查中,海流均是一個關鍵的水文要素.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要.之所以強調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波產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SLC92,RCM7,RCM9等海流計進行準同步觀測,它存在著下列問題:(1)測量數(shù)據無法實時傳送,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多個點的海流狀況進行實時監(jiān)測,而且可以及時發(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)據服務器通信.各個海流監(jiān)測點可以把海流等數(shù)據進行本地存儲,并按照預先約定好的格式發(fā)回中心數(shù)據服務器.中心數(shù)據服務器通過Internet將數(shù)據傳送給各個用戶.中心數(shù)據服務器和各個用戶通過應用程序實現(xiàn)實時海流監(jiān)測.系統(tǒng)總體方案如圖1所示.收稿日期:20090210圖1基于GPRS的網絡化海流監(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)測技術研究.22海洋技術第28卷1海流監(jiān)測點監(jiān)測儀器設計圖2海流監(jiān)測點儀器結構圖海流監(jiān)測點監(jiān)測儀器結構圖如圖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,還能通過GPS定位各個海流監(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,現(xiàn)場工作人員亦可憑借LCD的數(shù)據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)據處理能力.它內部集成了一個24位分辨率的一模數(shù)轉換器(ADC),8通道多路開關,模擬輸入通道測試電流源(BurnoutCurrentSources),輸入緩沖器,可編程增益放大器(PGA),溫度傳感器,內部基準電壓源,8位微控制器,程序/數(shù)據Flash存儲器和數(shù)據SRAM等.MSC1210Y5的片內外圍模塊功能齊備,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)據中心服務器通信的基礎,采用了專門利用GSM數(shù)據傳輸通道進行數(shù)據傳輸?shù)膶Ｓ弥荒蹹TU,接口速率300-19200bps.在GPRS網絡監(jiān)控系統(tǒng)中,由于MT8900是接人GPRS網絡的,并且分配的是GPRS網絡中的動態(tài)IP地址,不是Intelnet的公網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IP的服務器上安裝GPRS數(shù)據服務器軟件;(2)MT8900上電后自動登錄到GPRS數(shù)據服務器(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方式,通過用戶名和密碼校驗登陸到GPRS數(shù)據服務器上,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)據打包發(fā)給GPRS數(shù)據服務器即可,數(shù)據服務器根據該MT8900的信息,自動轉發(fā)給相應的MT8900;(5)從MT8900來的數(shù)據由GPRS數(shù)據服務器接收,并根據監(jiān)控中心登錄的信息以及數(shù)據服務器的配置,自動轉發(fā)給相應的監(jiān)控中心;(6)有現(xiàn)成的接口函數(shù),只需調用函數(shù),即可輕松完成數(shù)據傳輸功能.1.3存儲模塊海洋水文監(jiān)測儀器的研發(fā),數(shù)據采集量大,因此需要一第2期劉軍亮:基于GPRS的網絡化實時海流監(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,無疑是一種極大的浪費.經過比較和實驗,選用了NANDFlash存儲器KM29U128T.KM29U128T內部存儲空間為(16M+512K)*8Bit,采用NAND結構,存儲空間按”塊一頁”結構組織,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在流動時切割磁力線,會產生感生電動勢.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,根據法拉第電磁感應定律,產生一個感生電動勢.因此,電磁海流計的接收電極上產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,我們可以根據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)測樣機已經研制了出來,經過實驗室和實際水文環(huán)境的多次長時間測試,結果令人滿意.部分測試結果如表1所示.表1儀器各項測量參數(shù)的比測結果溫度()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+11105.7811:1026382644一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,從而構成了一個監(jiān)測點,長期的實驗已經證明了這種基于浮標或燈船的海流監(jiān)測技術完全可行的.然后按照用戶的監(jiān)測對象并結合實際監(jiān)測要求在目標海域對眾多儀器進行布局,就形成了一個由眾多監(jiān)測點構成的網絡化的海流監(jiān)測系統(tǒng).2中心數(shù)據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,通過網絡運營商接入Intemet,采用固定IP接入的公網組網方式,全天不間斷工作.同時,通過MT8900終端數(shù)據服務器程序對中心數(shù)據服務器進行設置.這樣,通過放在辦公室里的中心數(shù)據服務器,就是可以隨時實時接收到各項水文數(shù)據,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)據服務器程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)據服務器實時以轉收的方式獲取到各項水文數(shù)據,從而實現(xiàn)了中心數(shù)據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,設置各個海流監(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)據進行一些相關的處理,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)據的本地存儲,儀器還需投放和回收,并進行數(shù)據下載的繁瑣程序,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“基于無線傳輸技術的海流監(jiān)測儀器”已完成了原理樣機的研制,并結合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,即可構成一個網絡化的海流監(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,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