FZF3-1型海洋资料浮标系统
卜照蓬,刘 岩
(山东省科学院海洋仪器仪表研究所,青岛 266001)
摘 要:介绍了我国自行研制的最新一代用于海洋环境监测的大型FZF3-1型海洋资料浮标系统,论述了该系统的总体技术结构、原理和性能,以及应用P C-104微机作为浮标数据采集控制系统的情况。
关键词:资料浮标;PC-104系统;IN M A RSA T-C卫星传输
中图分类号:P715.2 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2003)02-0059-04
1 前言
FZF3-1型海洋资料浮标系统是我国自行研制的最新一代用于海洋环境监测的大型浮标,适用于布放在水深200m以内的海域。它是一种高度自动化、先进的海洋水文遥测设备。浮标直径10m、全锚链单点系泊;每天自动定时测量平均风速、平均风向、瞬时最大风速、气压、气温、波高、周期等项目,还可测量浮标舱温、方位、开门、进水、锚灯状态等项目,并留有海流计接口;采用低功耗微机控制,进行各测量项目数据的采集、处理,并通过Inmarsat-C卫星通信方式传输数据,由陆地岸站接收。浮标内还装有大容量存储卡,将各测量项目采集的数据进行存储。浮标采用大容量酸性蓄电池供电,并由太阳能电池充电,可以保证在海上连续工作14个月。为能实时掌握浮标锚泊位置,浮标上还装有GPS卫星定位系统。
浮标岸站采用微机自动控制,完成浮标传输数据的接收和处理,将接收的数据进行打印、显示和磁盘存储,并能将浮标上记录的存储卡进行回放处理,也可将存储卡上的数据进行转存,将转存的软盘送到国家海洋信息中心存档。
2 系统主要技术指标及要求
2.1 工作环境条件
收稿日期:2002-10-16
水深 <200m
最大风速 <75m/s
最大波高 <25m
最大潮差 <5m
最大表层流速 <6kn
环境温度 -20～+45℃
相对湿度 0%～100%
最大摇摆角 ±30°
浮标体升沉±0.5g、振动4～5g、冲击30g 时,设备不损坏。
2.2 测量项目及技术指标(见表1)
2.3 数据采集及控制要求
(1)数据采集部分用低功耗PC-104微机系统,其供电电压为12V,经稳压后为5V,守候电流< 80m A,工作电流<1A,卫星通信机在发射时电流<7A。
(2)在正常情况下,每天定时采集和实时发报8次,时间为2,5,8,11,14,17,20,23点。
(3)当平均风速大于17m/s,或有效波高大于4m时,可进行超限自动加密,自本次发报后,数据采集及控制改为每小时一次。当风速或波高低于上述值时,又自动恢复正常采集或发报。
(4)波浪数据及经处理的水文气象参数存入浮标存储卡。存储卡能记录不少于18个月的信息。
(5)每次发报前,浮标微机要对各种报警及检测项目进行巡检并将结果在发报时发回岸站,使岸站及时了解浮标设备工作情况。
2.4 通信设备技术要求
传输方式:采用Inm ar sat-C卫星通信传输方式
第22卷 第2期2003年6月
海 洋 技 术
OCEAN TECHNOLOGY
Vo l.22,No.2
June,2003
调制方式:两相相移键控
数据传输速率:600bit/s
工作频率:发射1626.5～1646.5MHz
接收1530～1545M Hz 平均有效接收率不小于97%
表1 测量项目及技术指标
采样顺序供电电压测量范围分辨率误 差采样间隔采样数量输出量
1波浪+12V 波高 0.5～25m
周期 3～30s
波高 0.5m
周期 1s
0.5～25m为10%
3～20s为10%
0.5s2048点电压量
2风速+5V 0.3～80m/s
瞬时风80m/s
0.3m/s±(0.5+0.05V)m/s1s200点数字量
3风向+12V0～360°5°10°6s100点电压量4气温+12V-15～+45℃0.1℃0.2℃6s10点电压量5气压+12V850～1050hPa0.1hPa±1hPa5s12点电压量6水温+12V-15～+45℃0.1℃±0.5℃1点电压量7舱温+12V-5～+40℃0.2℃±0.5℃1点电压量8方位+12V0～360°0.5°±5°6s100点电压量9流速+12V0.05～2.55m/s±5%
10流向+12V0～360°±10°
2.5 岸站技术要求
(1)岸站计算机能自动对岸站通信设备进行控制。
(2)岸站计算机接收、处理由通信设备送过来的遥测信息,并能对各种数据进行打印、显示等。
(3)能够回放浮标记录的设备,可用便携式计算机。
(4)能够发射遥控指令,具有使浮标系统进入加密采集、传感器切换、补发采集数据和读取备份传感器采样值等功能。
2.6 浮标检测仪技术要求
新研制的浮标检测设备采用便携式计算机,功能强、使用方便,可对浮标系统进行读、写、检查、调试等。
(1)联机操作全部采用菜单方式,在使用上十分方便。
(2)能够设置浮标的各项工作参数。
(3)具有时钟并能显示年、月、日、时、分、秒等功能,可以随时读写浮标的工作时钟,并能保留或直接传给浮标时钟。
(4)可以进行50个左右的联机操作,这些操作命令功能全而操作简单,并且具有短时间(30m in)采集试验及5min发射试验等命令功能。
(5)可以通过联机命令进行传感器加电控制,使得检修功能大大加强。
3 系统组成及功能
FZF3-1型海洋资料浮标系统主要由浮标采集处理系统和岸站接收系统组成。其中浮标采集处理系统是由主控系统、通信系统、分线箱、配电系统、传感器及接口组成;岸站系统主要由卫星通信机和微机系统组成。主要分系统介绍如下。
3.1 采集控制系统
采集控制系统的组成如图1所示,由主控系统、通信系统、分线箱、传感器及传感器接口、配电箱等几部分组成。采用壁挂安装方式,主控系统、通信系统、传感器及传感器接口、配电箱之间均通过分线箱连接。
3.1.1 主控系统
主控系统是整个系统的核心,采用当今比较成熟的嵌入式PC-104总线技术,主机板采用低功耗、稳定性高、扩展性好的PC-10480386CPU板,根据一定的时序控制主机及各类传感器的加断电、采集及处理各类传感器的信号,并将处理后的数据通过通信系统发送到用户的接收站,将原始数据保存到存储器中,并随时响应浮标检测仪的各类检测应答信号。主控系统机箱内主要包括主控单元、DC-DC
60 海 洋 技 术 第22卷
图1 采集控制系统示意图
变换电源两部分。DC-DC 电源把配电12V 转换为系统所需要的各种电压。主控单元面板上有液晶显示器和触摸键盘,通过显示器和键盘可以监视主控
系统即时工作状况,设置系统的各种参数,查询所有点次采样数据及工作状态。面板上装有PCM CIA 卡驱动器,经主机系统处理的浮标实时数据及时存储于PCM CIA 卡中。PCMCIA 卡上的数据可方便地由笔记本电脑回放。3.1.2 通信系统
通信系统采用丹麦T hrane &T hrane 公司生产的TT -3020C 型INM ARSAT -C 海事卫星通信系统。它将主机系统传来的数据传送给用户的接收岸站,并将接收到的遥控指令传送到主控系统。它的实时接收率能达到95%以上,误码率大大降低,使得岸站对浮标系统的遥控功能得以实现。通信系统还有GPS 、舱门开报警及进水报警功能,使得岸站人员能及时发现浮标的异常现象并上报采取措施挽回损失。
3.1.3 传感器及传感器接口
传感器部分由风速风向传感器、气压传感器、气温传感器、水温传感器、波浪传感器、海流传感器、方位传感器、舱温传感器、锚灯、水警、门警等组成,其中风速风向传感器、气压传感器、气温传感器、水温传感器、波浪传感器、方位传感器均为双机热备份,当其中任何一路传感器出现故障时,系统可自动切换到另外一路备份传感器上。风速风向传感器、气温传感器、方位传感器、锚灯等安装在浮标10m 小平台上。传感器接口的作用是将传感器输出的模拟或脉冲信号转变成主控采集系统能够识别的模拟或数
字信号。其中风速接口为智能接口,具有不间断采集
风速功能,当主控采样风速值时,接口能及时将3h 最大风速值与采集前10min 的平均值通过标准
RS -232接口传送给主控。3.1.4 供电系统
供电系统采用太阳能电池配合高性能、大容量免维护蓄电池的电源组合方式,统一采用单一+12V 电源,通过配电箱与分线箱连接给系统供电。3.1.5 分线箱
分线箱主要作用是将各个分系统连接起来,使各个部分形成统一的浮标控制、采集、通信系统。
3.2 岸站系统
FZF3-1型海洋资料浮标岸站系统主要由岸站计算机、卫星通信机、打印机和电源等设备组成(见图2)。岸站通过国际海事卫星组织的卫星,实时接收海上浮标的采集数据、对数据进行分析处理并具有遥控功能,包括:显示实时数据,显示数据月报表,显示采样参数的曲线图及数据打印等功能。同时,此软件能同时接收各海洋站的观测数据并提供给相应的程序处理。
图2 浮标岸站系统示意图
4 结束语
FZF3-1型海洋资料浮标1998年初安装在国家海洋局东海分局17号浮标上,至今已基本正常工作4a,数据接收率达到95%。2001年2月该系统安装
于北海分局15号浮标上并投入运行,已正常工作18个月无故障,数据接收率达97%。2002年3月安装在南海分局20号浮标上运行至今,正常工作6个月无故障。至此,国家海洋局所属三个分局大型浮标均已安装FZF 3-1型海洋资料采集、控制、传输系统,为我国海洋事业的开发和建设及沿海地区工农业生产和人民生命财产的安全起到了积极的作用,具有显著的社会效益。
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第2期 卜照蓬等:FZ F3-1型海洋资料浮标系统
参考文献:
[1] 陈伟人.单片微型计算机原理及其应用.北京:清华大学出版社,1992.[2] 郭梯云,刘增基,王新梅.数据传输.北京:人民邮电出版社.
T he Development of Po rtable Wave -Heig ht Gauge
CHEN Hong-zhi,ZHONG Lei
(T he 91388A r m y of N avy ,Zhanj iang ,524022,China )
Abstract :T he authors discuss the project desig n o f portable w ave -heig ht g auge by applying co mputer con-tr ol technique.The design m ethod fo r CPU control bo ar d,control pr ogram and data pr ocess softw are ar e also intro duced in this paper.
Key words :w ave-heig ht;buo y;datacollection and pr ocessing ;system integ ration
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FZF 3-1M arine Data Buoy System
BU Zhao -pen,LIU Yan
(I nstitute of Oceanogr ap hic I nstrumentation of Shandong A cademy of S ciences ,S hand ong ,266001,China )
Abstract :The author s m ainly introduce the up-to -date FZF3-1M arine Data Buoy Sy stem,which is devel-oped by China,and can be used for ocean env iro nm ent monitoring.T he gener al technolog ical structure,pr inciple and performance as w ell as an ex ample of using PC -104m icrocomputer as the buoy data collection and contr ol system are also discussed .
Key words :data buoy ;PC-104system;INMARSAT-C satellite comm unication
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第2期 陈鸿志等:轻便式浪高仪研制