海上平台基“怪潮”自动观测系统的设计与实现

杨子原，徐俊臣，邱文博，胡轶群，李冠宇，李 晖

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海上平台基“怪潮”自动观测系统的设计与实现

杨子原，徐俊臣，邱文博，胡轶群，李冠宇，李 晖

（国家海洋技术中心，天津 300112）

平台基观测系统在我国海洋观测的领域中已经有了较广泛的推广应用，实现无人值守观测的必要条件之一是可靠的系统供电，日渐成熟的太阳能光伏供电技术可以解决这一难题。“怪潮”自动观测系统的观测要素多样化，其中集成有风速、风向、气温、相对湿度、气压、降水、潮位、表层水温、盐度、水质、海流等多项海洋环境要素。基于IEEE802.11n的微波通信技术可以将现场数据实时发送至岸站数据中心。通过合理的方案设计和有效的现场实施，该系统可以在无人值守的条件下长期稳定运行。

怪潮；水文气象；自动观测；微波；ADCP；海流；太阳能光伏；视频

苏北海上平台基“怪潮”自动观测系统对苏北地区的渔业生产和人民生活有十分重要的意义和作用，通过对江苏、上海一带近岸海域的潮位、气象、海流、视频、水质等要素的观测，为当地渔民作业和生产生活发布预警信息，以避免和减少近年来由苏北浅滩“怪潮”所造成的渔业生产事故和经济损失。吕泗平台自动观测系统是国家海洋局最早的平台基观测系统之一，随着当前自动化观测技术的发展与推广，结合成熟的太阳能光伏供电技术，平台基观测系统完全可以达到长期无人值守的自动化观测要求。

1 系统概述

目前，美、日、英、德等发达国家已建立起较完备的台站、浮标、海上石油平台等观测体系，能够对潮汐、海浪、温盐、气象和污染等项目进行实时观测。我国观测台站的设立多基于当时的社会、经济和海洋科学研究水平而设置的，以现在观测发展需求看，观测平台数量少，近海无潮点、风暴潮灾害多发区、近海生态和部分河口区的观测缺乏针对性，岛屿岸站少，海上平台资源也未得到有效利用。

海上平台基“怪潮”自动观测系统是典型的近海海洋动力环境要素观测系统，“怪潮”观测平台是分布于距离洋口港东偏南33°和北偏西5°的两个无人值守观测平台。根据由国家海洋局东海分局所主持的海洋行业公益性科研专项—“苏北浅滩怪潮灾害监测预警关键技术研究及示范应用”的项目任务要求，需在这两处无人值守观测平台上对包括风速、风向、气温、相对湿度、气压、降水、潮位、表层水温、盐度、水质、海流、视频等海洋环境要素进行长期连续的观测采集，同时将现场数据发送到岸站接收中心。根据“怪潮”无人观测平台无市电供给的现状，系统采用太阳能光伏供电技术，完成了对各类相关设备的供电。同时，搭建了基于IEEE802.11n的微波通信链路，将现场数据回传至位于洋口港的接收站，继而转发至位于国家海洋局南通中心站的“怪潮”数据中心。

2 系统实现

2.1 基本组成

海上平台基“怪潮”自动观测系统由Z1、Z2两处测点构成，每处测点集成有水文气象子系统、ADCP海流子系统、视频子系统、多参数水质子系统，另有供电子系统和数据通信子系统组成。

2.2 各子系统基本情况

2.2.1 水文气象子系统

水文气象子系统选用了由国家海洋技术中心研制的XZY3型海洋站自动观测系统，风速风向传感器、温湿度传感器和降水传感器等气象要素传感器安装于平台顶部的小型观测场，通过电缆与室内的数据采集器连接，水文子系统安装于平台下部的验潮井和温盐井内，水文数据采集器与气象采集器一并安装于监控室内。

2.2.2 供电子系统

供电子系统由太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池组构成，太阳能电池板安装在平台外沿，朝向东南，根据当地的太阳光照系数、阴雨天气周期以及各子系统的功耗情况，选择了相应的太阳能供电方案。其中水文子系统、多参数水质子系统、ADCP海流子系统和视频子系统均采用12 V直流供电，由多组太阳能板搭载12 V蓄电池组完成，微波通信系统采用24VPOE供电技术，由太阳能板搭载24 V蓄电池组完成。

2.2.3 数据通信子系统

在“怪潮”自动观测系统中，各数据采集子系统均采用了串网转换的原理将采集器的RS232数据串口通过MOXA5110串口服务器转换成网口。该系统选用的MOXA工业级的网络交换机，达到了IP66防护等级，可以满足在恶劣的海洋环境下长期稳定运行。

微波通信系统选用1.2 m定向天线和基于IEEE802.11n的高带宽网桥，分别在Z1、Z2两个平台与洋口港接收站之间建立了两条独立的点对点链路，作用距离可视条件下理论上达50 km。微波网桥配置有10/100BASE-TX以太网接口，支持POE供电，工作电压为12/24VDC可选，最大功耗仅为8W。基于IEEE802.11n的微波通信系统支持AES/TKIP等多种加密算法，同时采用网桥物理地址绑定的方式，建立点对点的私有链路，不允许其他同类设备对该链路的数据进行窃取访问，保证了现场监测数据的安全性。

经现场实地测试，两条链路分别可达到130 Mbps（Z1平台）和180 Mbps（Z2平台）的信道带宽，完全可以承载平台端各采集子系统的汇聚数据通信量。

2.2.4 视频子系统

视频子系统选用了海康威视公司的广角网络摄像机，安装于平台边沿，用于监控平台上的仪器设备运转情况和周围海面的过往船只情况。在12 V直流供电的情况下，视频子系统的功耗可维持在8 W以下。选用的40万像素网络摄像头可以通过网线与交换机连接，产生的实时视频数据流约为200 kbps，而微波通信子系统的信道传输能力可达180 Mbps，完全可以支持视频数据流的实时传输。

2.2.5 ADCP海流子系统

ADCP海流计采用座底式观测方式，布放于怪潮平台的边缘海域，可进行最大20层，每层2 m的流速、流向采集观测。ADCP采用了自容式测量原理进行数据采集，将海流数据存储至ADCP探头内的SD卡中，存储能力约2 a。同时，该型海流计内部嵌有Prolog模块，在完成自容式测量存储的同时，通过RS232串口定时向外发送海流和波浪数据，通过串口服务器进行串网转换后，便可将海流计连接至平台监控室内的网络交换机。

2.2.6 水质子系统

水质子系统由国家海洋局东海监测中心联合HACH公司完成，安装于平台的温盐井内。

3 供电方案的优化设计

供电子系统根据当地的太阳光照系数、阴雨天气周期等情况，对各采集子系统的功耗情况进行了优化设计。设计依据为在满足各子系统最大供电需求的前提下，计算得到最小的太阳板需求数量和蓄电池组需求数量，同时使各路供电系统具备独立的管控能力。

以Z1平台为例，各子系统功耗情况统计如表1。

表1 Z1平台功耗统计情况

根据以上功耗统计情况，进行相应的优化设计，可得到如图2所示的供电方案。

平台外观图、平台结构示意图、岸基视频接收效果图分别如图3、图4、图5所示。

4 系统运行情况

截止2012年4月，Z1、Z2两处“怪潮”观测测点已分别正常工作了5个月与7个月，平台观测数据可准确无误地发送至国家海洋局南通中心站的“怪潮”数据中心，太阳能供电系统运转正常，没有出现由阴雨天光照不足等造成的系统断电情况。目前，该项目已进入验收准备阶段。

5 结语

“怪潮”自动观测系统是平台基自动观测系统，利用太阳能光伏供电技术和微波通信技术，结合串网转换的原理集成了包括水文、气象、海流、视频、水质在内的多个数据采集子系统，达到了无人值守的观测要求，并可以推广应用于其他无人值守平台或无人海岛的观测与监测项目中。最后，该系统的成功实施与运行为新一代高可靠、低功耗、多参数、大容量的海洋观测数据采集平台做了前期的试验探索。

[1]胡轶群.数据采集系统中自动校准技术的研究[J].海洋技术,2012,31(1)∶21-23.

[2]刘岩.海洋环境监测技术综述[J].山东科学,2001,14(4)∶30-35.

[3]张建涛.海上观测平台数据传输标准化技术研究[J].海洋技术,2011,30(2)∶41-45.

[4]潘琢金,施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北京∶北京航空航天大学出版社,2002.

Design and Implementation of“Erratic Tide”Automatic Monitoring System

YANG Zi-yuan,XU Jun-chen,QIU Wen-bo,HU Yi-qun,LI Guan-yu,LI Hui
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The platform-based data acquisition system has been applied widely in the field of marine observation.The power supply which is the key problem for unmanned observation can be solved by the solar power technology.The target of “Erratic Tide”monitoring system is to collect various marine environment data,such as wind speed and direction,temperature,relative humidity,tide,rainfall,skin water temperature,salinity,current,etc.The Filed data can be transmitted to the data center by microwave system.Finally,“Erratic Tide “monitoring system achieves the long-term unmanned operation.

lerratic tide;hydrometeorology;automatic monitoring;microwave;ADCP;ocean current;solar;video

TP274+.2；P71

A

1003-2029（2013）01-0040-03

2012-04-19

杨子原（1983-），男，工程师，主要从事嵌入式系统开发和通信网络设计。Email:zoon8118@163.com