海洋环境监测设备及系统的研制初探
海洋环境监测设备及系统的研制初探
文/李海成 石国平
本项目的海洋环境监测系统体系构架、海洋环境测量仪和海洋环境信息系统软件的设计主要依据国家工信部电信研究院起草的“物联网概述标准草案（标准编号 Y.2060）” 和相关海洋行业标准。依据标准进行硬件和软件设计时，结合自身相关产品技术和经验积累（“一种用于物联网系统的通用数据终端装置”专利和“海洋生态环境信息系统软件”著作权），也借鉴国内外其它海洋监测厂家的相关海洋监测仪器产品的成功经验和失败教训。
【关键词】物联网 海洋环境监测 信息系统软件
1 项目背景
物联网技术在我国海洋环境监测领域的应用还处于起步阶段，目前还没有一个完整的基于物联网技术的海洋环境信息系统构架、监测设备和系统软件的解决方案。
2 项目技术实现依据
2.1 设计思想
本项目的海洋环境监测系统体系构架、海洋环境测量仪和海洋环境信息系统软件的设计主要依据国家工信部电信研究院起草的“物联网概述标准草案（标准编号 Y.2060）” 和相关海洋行业标准。依据标准进行硬件和软件设计时， 结合自身相关产品技术和经验积累 （ “一种用于物联网系统的通用数据终端装置”专利和“海洋生态环境信息系统软件”著作权），也借鉴国内外其它海洋监测厂家的相关海洋监测仪器产品的成功经验和失败教训。
2.2 关键技术的实现
2.2.1 海洋环境多参数测量技术的实现
本项目针对海洋环境监测传感器和多种类通信装置特性，通过通用信号调电路和接口电路，及更多外设驱动和应用程序，满足传感器和通信装置的通用适配及信号处理需求。该技术在自动气象站产品上得以实现。
2.2.2 海洋环境信息化系统软件技术的实现
按照软件工程理论，采用GIS系统原理，建立一个包括地理信息属性数据库、系统设备信息属性数据库和动态测量信息数据库，以及数据处理和实时显控应用软件的系统软件构架，通过应用软件实现通信控制、数据融合信息处理、信息预测预报等功能。该技术在福建海洋预报台的海洋生态环境信息系统软件上得以实现。
2.2.3 结构设计和恶劣环境适应技术
海洋仪器应具备高低温、雨淋、湿热、盐雾和腐蚀的耐受能力。借鉴以往海洋产品的经验，电路元器件采用工业级器件，电路模块进行三防处理；机箱结构采取密闭设计，热传导散热，表面三防处理。
3 项目主要研究内容
3.1 海洋环境信息化系统体系构架
作为物联网系统构架的海洋环境信息化系统，信息通信传递的报文格式和协议是项目最重要的研究内容之一，应进行专门论证和研究，并优先形成确定的结果报告—《海洋环境信息化系统信息通信传递报文格式和协议》，以便指导和规范前端智能装置（海洋生态环境监测仪）和后端海洋环境信息化软件中的数据交换、传输格式与规则。
3.2 多参数海洋环境监测仪器技术
海洋环境监测仪器的主要研究内容是多种类传感器的通用适配连接、通信和控制装置的通用适配连接，以及基于嵌入式计算机的信号采集和处理技术。
3.3 海洋环境信息化系统软件技术
海洋环境信息化系统软件决定该系统的功能和服务保障能力，包括三个层次的三个版本软件：用于海洋监测站的“海洋环境监测终端软件”，用于分局和地方海洋部门的“海洋环境信息分中心软件”，用于国家局的“海洋环境信息中心软件”。
3.4 海洋环境监测传感器技术
海洋环境监测传感器是该系统最重要的内容之一，国内器件和材料等一些基础能力的不足，多数环境监测传感器不得不依赖进口。因此，本项目将依据国内实际情况和能力，针对性的开展传感器的研究和开发工作。
4 项目技术路线
4.1 多参数海洋环境监测仪技术
4.1.1 海洋环境传感器
由于是海洋环境监测仪的关键部件，其可靠性、稳定性和测量精度决定整个系统的综合监测性能。本项目中，物理参数传感器采用自制和配套国内优质产品方式解决；项目实施初期，化学参数和生物参数传感器配套选用进口优质产品；项目实施过程中，有选择地开展化学参数和生物参数传感器的研仿工作，逐步提高产品的国产化率。
4.1.2 数据采集处理器
海洋环境监测仪传感器信号数据采集处理器包括：
（1）传感器的通用化适配接入。数据采集处理器有 8 个通用模拟传感器信号输入接口，每个输入接口可任意连接一个 4-20mA、0-10mA、1-5V、0-5V 四种标准信号输出或任意幅度范围非标准信号输出的传感器。数据采集处理器有 8 个通用开关电平信号输入接口，每个输入接口可任意连接一个最大幅度不超过 30V 的开关电平信号（状态传感信号）。
数 据 采 集 处 理 器 还 有 1 个 专 用 的1-WireBus 数字传感器信号接口和 RS232、RS485、RS422、USB、CAN 等几个可复用的数字传感器信号通信接口，每个接口可任意连接一个符合以上通信接口电气标准的传感器。
（2）通信装置的通用化适配接入。数据采集处理器有 RS232（2 个）、RS485、RS422、CAN、USB（2个）和 LAN 等6种总计 8 个通信接口，每个接口可任意连接一个符合以上通信接口电气标准的通信装置。
（3）执行装置的通用化适配接入。数据采集处理器有 4 路开关量（TTL）信号和 4 路触点（250VAC10A）输出接口，每个接口可任意连接一个符合以上电气标准的执行装置或电气设备。
（4）网络的通用化适配接入。数据采集处理器通过以太网接口以有线方式接入公网，也能以 GPRS 和 3G 以无线方式接入公网，还能通过所有几种通信接口混合进行内部组网。在本终端装置接入公网时，遵循通用的通信协议，内部组网时视两者之间的接口方式而定。
（5）ARM 嵌入式计算机平台。数据采集处理器的信号采集和处理、通信和控制功能均由 ARM 嵌入式计算机平台来实现。该平台在硬件组成上采用ARM9 嵌入式 MCU 芯片，FLASH 和 RAM 存储器、时钟、LCD 触摸屏接口等电路。
4.2 信息系统软件
各软件的构成内容如下：
（1）显示和控制软件：数据显控界面；地图显控界面；视频显控界面；观测站信息显示。
（2）信息融合处理软件：信息汇集；数据同化；算法计算。
（3） 预测预报软件：预测算法；预报模式；预测预报产品生成。
（4）通信管理软件：通信协议管理；通信参数设定；通信设备控制；信息共享。
（5）数据库软件：地理信息属性数据库；观测站信息属性数据库；观测站观测数据动态数据库；数据库维护。
作者单位
江苏吉美思物联网产业股份有限公司 江苏省南京市 210012
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