海洋環境監測設備及系統的研制初探

海洋環境監測設備及系統的研制初探

文/李海成  石國平

本項目的海洋環境監測系統體系構架、海洋環境測量儀和海洋環境信息系統軟件的設計主要依據國家工信部電信研究院起草的“物聯網概述標準草案（標準編號 Y.2060）” 和相關海洋行業標準。依據標準進行硬件和軟件設計時，結合自身相關產品技術和經驗積累（“一種用于物聯網系統的通用數據終端裝置”專利和“海洋生態環境信息系統軟件”著作權），也借鑒國內外其它海洋監測廠家的相關海洋監測儀器產品的成功經驗和失敗教訓。

【關鍵詞】物聯網 海洋環境監測 信息系統軟件

1 項目背景

物聯網技術在我國海洋環境監測領域的應用還處于起步階段，目前還沒有一個完整的基于物聯網技術的海洋環境信息系統構架、監測設備和系統軟件的解決方案。

2 項目技術實現依據

2.1 設計思想

本項目的海洋環境監測系統體系構架、海洋環境測量儀和海洋環境信息系統軟件的設計主要依據國家工信部電信研究院起草的“物聯網概述標準草案（標準編號 Y.2060）” 和相關海洋行業標準。依據標準進行硬件和軟件設計時， 結合自身相關產品技術和經驗積累 （ “一種用于物聯網系統的通用數據終端裝置”專利和“海洋生態環境信息系統軟件”著作權），也借鑒國內外其它海洋監測廠家的相關海洋監測儀器產品的成功經驗和失敗教訓。

2.2 關鍵技術的實現

2.2.1 海洋環境多參數測量技術的實現

本項目針對海洋環境監測傳感器和多種類通信裝置特性，通過通用信號調電路和接口電路，及更多外設驅動和應用程序，滿足傳感器和通信裝置的通用適配及信號處理需求。該技術在自動氣象站產品上得以實現。

2.2.2 海洋環境信息化系統軟件技術的實現

按照軟件工程理論，采用GIS系統原理，建立一個包括地理信息屬性數據庫、系統設備信息屬性數據庫和動態測量信息數據庫，以及數據處理和實時顯控應用軟件的系統軟件構架，通過應用軟件實現通信控制、數據融合信息處理、信息預測預報等功能。該技術在福建海洋預報臺的海洋生態環境信息系統軟件上得以實現。

2.2.3 結構設計和惡劣環境適應技術

海洋儀器應具備高低溫、雨淋、濕熱、鹽霧和腐蝕的耐受能力。借鑒以往海洋產品的經驗，電路元器件采用工業級器件，電路模塊進行三防處理；機箱結構采取密閉設計，熱傳導散熱，表面三防處理。

3 項目主要研究內容

3.1 海洋環境信息化系統體系構架

作為物聯網系統構架的海洋環境信息化系統，信息通信傳遞的報文格式和協議是項目最重要的研究內容之一，應進行專門論證和研究，并優先形成確定的結果報告—《海洋環境信息化系統信息通信傳遞報文格式和協議》，以便指導和規范前端智能裝置（海洋生態環境監測儀）和后端海洋環境信息化軟件中的數據交換、傳輸格式與規則。

3.2 多參數海洋環境監測儀器技術

海洋環境監測儀器的主要研究內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。

3.3 海洋環境信息化系統軟件技術

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

3.4 海洋環境監測傳感器技術

海洋環境監測傳感器是該系統最重要的內容之一，國內器件和材料等一些基礎能力的不足，多數環境監測傳感器不得不依賴進口。因此，本項目將依據國內實際情況和能力，針對性的開展傳感器的研究和開發工作。

4 項目技術路線

4.1 多參數海洋環境監測儀技術

4.1.1 海洋環境傳感器

由于是海洋環境監測儀的關鍵部件，其可靠性、穩定性和測量精度決定整個系統的綜合監測性能。本項目中，物理參數傳感器采用自制和配套國內優質產品方式解決；項目實施初期，化學參數和生物參數傳感器配套選用進口優質產品；項目實施過程中，有選擇地開展化學參數和生物參數傳感器的研仿工作，逐步提高產品的國產化率。

4.1.2 數據采集處理器

海洋環境監測儀傳感器信號數據采集處理器包括：

（1）傳感器的通用化適配接入。數據采集處理器有 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 四種標準信號輸出或任意幅度范圍非標準信號輸出的傳感器。數據采集處理器有 8 個通用開關電平信號輸入接口，每個輸入接口可任意連接一個最大幅度不超過 30V 的開關電平信號（狀態傳感信號）。

數 據 采 集 處 理 器 還 有 1 個 專 用 的1-WireBus 數字傳感器信號接口和 RS232、RS485、RS422、USB、CAN 等幾個可復用的數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準的傳感器。

（2）通信裝置的通用化適配接入。數據采集處理器有 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準的通信裝置。

（3）執行裝置的通用化適配接入。數據采集處理器有 4 路開關量（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準的執行裝置或電氣設備。

（4）網絡的通用化適配接入。數據采集處理器通過以太網接口以有線方式接入公網，也能以 GPRS 和 3G 以無線方式接入公網，還能通過所有幾種通信接口混合進行內部組網。在本終端裝置接入公網時，遵循通用的通信協議，內部組網時視兩者之間的接口方式而定。

（5）ARM 嵌入式計算機平臺。數據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。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 信息系統軟件

各軟件的構成內容如下：

（1）顯示和控制軟件：數據顯控界面；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；數據同化；算法計算。

（3） 預測預報軟件：預測算法；預報模式；預測預報產品生成。

（4）通信管理軟件：通信協議管理；通信參數設定；通信設備控制；信息共享。

（5）數據庫軟件：地理信息屬性數據庫；觀測站信息屬性數據庫；觀測站觀測數據動態數據庫；數據庫維護。

作者單位

江蘇吉美思物聯網產業股份有限公司　江蘇省南京市　210012