海上平臺基“怪潮”自動觀測系統的設計與實現

楊子原，徐俊臣，邱文博，胡軼群，李冠宇，李 暉

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海上平臺基“怪潮”自動觀測系統的設計與實現

楊子原，徐俊臣，邱文博，胡軼群，李冠宇，李 暉

（國家海洋技術中心，天津 300112）

平臺基觀測系統在我國海洋觀測的領域中已經有了較廣泛的推廣應用，實現無人值守觀測的必要條件之一是可靠的系統供電，日漸成熟的太陽能光伏供電技術可以解決這一難題?！肮殖薄弊詣佑^測系統的觀測要素多樣化，其中集成有風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓、降水、潮位、表層水溫、鹽度、水質、海流等多項海洋環境要素。基于IEEE802.11n的微波通信技術可以將現場數據實時發送至岸站數據中心。通過合理的方案設計和有效的現場實施，該系統可以在無人值守的條件下長期穩定運行。

怪潮；水文氣象；自動觀測；微波；ADCP；海流；太陽能光伏；視頻

蘇北海上平臺基“怪潮”自動觀測系統對蘇北地區的漁業生產和人民生活有十分重要的意義和作用，通過對江蘇、上海一帶近岸海域的潮位、氣象、海流、視頻、水質等要素的觀測，為當地漁民作業和生產生活發布預警信息，以避免和減少近年來由蘇北淺灘“怪潮”所造成的漁業生產事故和經濟損失。呂泗平臺自動觀測系統是國家海洋局最早的平臺基觀測系統之一，隨著當前自動化觀測技術的發展與推廣，結合成熟的太陽能光伏供電技術，平臺基觀測系統完全可以達到長期無人值守的自動化觀測要求。

1 系統概述

目前，美、日、英、德等發達國家已建立起較完備的臺站、浮標、海上石油平臺等觀測體系，能夠對潮汐、海浪、溫鹽、氣象和污染等項目進行實時觀測。我國觀測臺站的設立多基于當時的社會、經濟和海洋科學研究水平而設置的，以現在觀測發展需求看，觀測平臺數量少，近海無潮點、風暴潮災害多發區、近海生態和部分河口區的觀測缺乏針對性，島嶼岸站少，海上平臺資源也未得到有效利用。

海上平臺基“怪潮”自動觀測系統是典型的近海海洋動力環境要素觀測系統，“怪潮”觀測平臺是分布于距離洋口港東偏南33°和北偏西5°的兩個無人值守觀測平臺。根據由國家海洋局東海分局所主持的海洋行業公益性科研專項—“蘇北淺灘怪潮災害監測預警關鍵技術研究及示范應用”的項目任務要求，需在這兩處無人值守觀測平臺上對包括風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓、降水、潮位、表層水溫、鹽度、水質、海流、視頻等海洋環境要素進行長期連續的觀測采集，同時將現場數據發送到岸站接收中心。根據“怪潮”無人觀測平臺無市電供給的現狀，系統采用太陽能光伏供電技術，完成了對各類相關設備的供電。同時，搭建了基于IEEE802.11n的微波通信鏈路，將現場數據回傳至位于洋口港的接收站，繼而轉發至位于國家海洋局南通中心站的“怪潮”數據中心。

2 系統實現

2.1 基本組成

海上平臺基“怪潮”自動觀測系統由Z1、Z2兩處測點構成，每處測點集成有水文氣象子系統、ADCP海流子系統、視頻子系統、多參數水質子系統，另有供電子系統和數據通信子系統組成。

2.2 各子系統基本情況

2.2.1 水文氣象子系統

水文氣象子系統選用了由國家海洋技術中心研制的XZY3型海洋站自動觀測系統，風速風向傳感器、溫濕度傳感器和降水傳感器等氣象要素傳感器安裝于平臺頂部的小型觀測場，通過電纜與室內的數據采集器連接，水文子系統安裝于平臺下部的驗潮井和溫鹽井內，水文數據采集器與氣象采集器一并安裝于監控室內。

2.2.2 供電子系統

供電子系統由太陽能電池板、太陽能控制器和蓄電池組構成，太陽能電池板安裝在平臺外沿，朝向東南，根據當地的太陽光照系數、陰雨天氣周期以及各子系統的功耗情況，選擇了相應的太陽能供電方案。其中水文子系統、多參數水質子系統、ADCP海流子系統和視頻子系統均采用12 V直流供電，由多組太陽能板搭載12 V蓄電池組完成，微波通信系統采用24VPOE供電技術，由太陽能板搭載24 V蓄電池組完成。

2.2.3 數據通信子系統

在“怪潮”自動觀測系統中，各數據采集子系統均采用了串網轉換的原理將采集器的RS232數據串口通過MOXA5110串口服務器轉換成網口。該系統選用的MOXA工業級的網絡交換機，達到了IP66防護等級，可以滿足在惡劣的海洋環境下長期穩定運行。

微波通信系統選用1.2 m定向天線和基于IEEE802.11n的高帶寬網橋，分別在Z1、Z2兩個平臺與洋口港接收站之間建立了兩條獨立的點對點鏈路，作用距離可視條件下理論上達50 km。微波網橋配置有10/100BASE-TX以太網接口，支持POE供電，工作電壓為12/24VDC可選，最大功耗僅為8W?；贗EEE802.11n的微波通信系統支持AES/TKIP等多種加密算法，同時采用網橋物理地址綁定的方式，建立點對點的私有鏈路，不允許其他同類設備對該鏈路的數據進行竊取訪問，保證了現場監測數據的安全性。

經現場實地測試，兩條鏈路分別可達到130 Mbps（Z1平臺）和180 Mbps（Z2平臺）的信道帶寬，完全可以承載平臺端各采集子系統的匯聚數據通信量。

2.2.4 視頻子系統

視頻子系統選用了?？低暪镜膹V角網絡攝像機，安裝于平臺邊沿，用于監控平臺上的儀器設備運轉情況和周圍海面的過往船只情況。在12 V直流供電的情況下，視頻子系統的功耗可維持在8 W以下。選用的40萬像素網絡攝像頭可以通過網線與交換機連接，產生的實時視頻數據流約為200 kbps，而微波通信子系統的信道傳輸能力可達180 Mbps，完全可以支持視頻數據流的實時傳輸。

2.2.5 ADCP海流子系統

ADCP海流計采用座底式觀測方式，布放于怪潮平臺的邊緣海域，可進行最大20層，每層2 m的流速、流向采集觀測。ADCP采用了自容式測量原理進行數據采集，將海流數據存儲至ADCP探頭內的SD卡中，存儲能力約2 a。同時，該型海流計內部嵌有Prolog模塊，在完成自容式測量存儲的同時，通過RS232串口定時向外發送海流和波浪數據，通過串口服務器進行串網轉換后，便可將海流計連接至平臺監控室內的網絡交換機。

2.2.6 水質子系統

水質子系統由國家海洋局東海監測中心聯合HACH公司完成，安裝于平臺的溫鹽井內。

3 供電方案的優化設計

供電子系統根據當地的太陽光照系數、陰雨天氣周期等情況，對各采集子系統的功耗情況進行了優化設計。設計依據為在滿足各子系統最大供電需求的前提下，計算得到最小的太陽板需求數量和蓄電池組需求數量，同時使各路供電系統具備獨立的管控能力。

以Z1平臺為例，各子系統功耗情況統計如表1。

表1 Z1平臺功耗統計情況

根據以上功耗統計情況，進行相應的優化設計，可得到如圖2所示的供電方案。

平臺外觀圖、平臺結構示意圖、岸基視頻接收效果圖分別如圖3、圖4、圖5所示。

4 系統運行情況

截止2012年4月，Z1、Z2兩處“怪潮”觀測測點已分別正常工作了5個月與7個月，平臺觀測數據可準確無誤地發送至國家海洋局南通中心站的“怪潮”數據中心，太陽能供電系統運轉正常，沒有出現由陰雨天光照不足等造成的系統斷電情況。目前，該項目已進入驗收準備階段。

5 結語

“怪潮”自動觀測系統是平臺基自動觀測系統，利用太陽能光伏供電技術和微波通信技術，結合串網轉換的原理集成了包括水文、氣象、海流、視頻、水質在內的多個數據采集子系統，達到了無人值守的觀測要求，并可以推廣應用于其他無人值守平臺或無人海島的觀測與監測項目中。最后，該系統的成功實施與運行為新一代高可靠、低功耗、多參數、大容量的海洋觀測數據采集平臺做了前期的試驗探索。

[1]胡軼群.數據采集系統中自動校準技術的研究[J].海洋技術,2012,31(1)∶21-23.

[2]劉巖.海洋環境監測技術綜述[J].山東科學,2001,14(4)∶30-35.

[3]張建濤.海上觀測平臺數據傳輸標準化技術研究[J].海洋技術,2011,30(2)∶41-45.

[4]潘琢金,施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用[M].北京∶北京航空航天大學出版社,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

楊子原（1983-），男，工程師，主要從事嵌入式系統開發和通信網絡設計。Email:zoon8118@163.com