一种浮标数据采集系统及控制方法与流程

1.本发明属于浮标数据采集技术领域，具体地说，是涉及一种浮标数据采集系统及控制方法。


背景技术：

2.我国是一个陆地大国，也是一个海洋大国，对海洋环境监测一直是我国海洋研究的一个重点。海洋浮标放置方便，可持续工作性好，是当前海洋环境监测的一个重要方法。
3.海洋浮标信息采集系统一般通过布置于浮标上的传感器采集海域各项要素，并通过通信功能将数据传回。而如何将传感器采集到的数据安全、有效、无误的传输回岸基中心一直是个难点，采用4g网络传输只能在近海无线网络覆盖的地方，天通通信虽然可在远海使用，但通信费率较高，成本高昂，多种传感器同时工作导致功耗增高。现有的浮标系统传输方法单一，工作模式固定，仅用一种传输方法存在环境要求严格，无法覆盖近、远海海域，通信成功率低、数据传输困难等问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种浮标数据采集系统，提高了通信成功率。
5.为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案予以实现：
6.一种浮标数据采集系统，包括：
7.控制系统，其包括主控板；
8.传感器系统，其用于采集数据，并将采集到的数据发送至主控板；
9.数据传输系统，其包括lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块；所述lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块分别与主控板连接通信；
10.其中，主控板检测是否接收到lora通信信息；如果接收到lora通信信息，则关闭4g通信模块和北斗短报文通信模块，采用lora通信模块与外界设备通信；
11.如果没有接收到lora通信信息，则检测是否接收到4g通信信息，若接收到4g通信信息，则关闭lora通信模块和北斗短报文通信模块，采用4g通信模块与外界设备通信；
12.如果没有接收到lora通信信息和4g通信信息，则关闭lora通信模块和4g通信模块，采用北斗短报文通信模块与外界设备通信。
13.进一步的，所述传感器系统包括电子罗盘、气象传感器、海水传感器、北斗接收机、波浪传感器。
14.又进一步的，所述浮标数据采集系统还包括电源模块，所述电源模块分别为电子罗盘、气象传感器、海水传感器、北斗接收机、波浪传感器、lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块供电，在每条供电线路上分别设置有一个光耦继电器，所述主控板通过光耦继电器控制供电线路的通断。
15.更进一步的，当不需要电子罗盘/气象传感器/海水传感器采集数据时，主控板控制电子罗盘/气象传感器/海水传感器的供电线路断开；
16.当需要电子罗盘/气象传感器/海水传感器采集数据时，主控板控制电子罗盘/气象传感器/海水传感器的供电线路导通，并发送查询指令至电子罗盘/气象传感器/海水传感器；
17.电子罗盘/气象传感器/海水传感器接收到查询指令后，采集数据并发送至主控板。
18.再进一步的，所述北斗接收机、波浪传感器具有各自的数据采集周期；
19.在每个北斗接收机/波浪传感器的数据采集周期内，
20.当北斗接收机/波浪传感器不采集数据时，主控板控制北斗接收机/波浪传感器的供电线路断开；
21.当北斗接收机/波浪传感器采集数据时，主控板控制北斗接收机/波浪传感器的供电线路导通。
22.进一步的，采用4g通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期为t11；
23.采用lora通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期为t12；
24.采用北斗短报文通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期为t13；
25.t11＜t12＜t13。
26.又进一步的，采用4g通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期为t21；
27.采用lora通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期为t22；
28.采用北斗短报文通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期为t23；
29.t21＜t22＜t23。
30.更进一步的，主控板将接收到的采集数据进行解析，然后封装，并将采集数据和封装后的数据存储到主控板的存储模块中。
31.再进一步的，所述将采集数据和封装后的数据存储到主控板的存储模块中，具体包括：
32.检查存储模块上是否存在当前日期目录；
33.如果不存在，则先根据当前日期创建当前日期目录，然后将采集数据和封装后的数据按照数据类型存储到当前日期目录下的对应文档中；
34.如果存在，则将采集数据和封装后的数据按照数据类型存储到当前日期目录下的对应文档中。
35.一种基于所述的浮标数据采集系统的控制方法，包括下述步骤：
36.主控板上电后，检测采集系统的各个设备是否正常；
37.当检测到有设备异常时，将异常数据上传岸基中心，然后整个采集系统复位，重新检测各个设备是否正常；
38.当检测到各个设备均正常时，主控板控制传感器系统采集数据；
39.主控板接收传感器系统发送的采集数据，并将接收到的采集数据进行处理；
40.主控板将处理后的数据通过数据传输系统向外发送。
41.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的浮标数据采集系统及控制方法，通过设计lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块，当lora通信模块可以
通信时，采用lora通信模块传输数据；当lora通信模块无法通信、4g通信模块可以通信时，选用4g通信模块传输数据；当lora通信模块和4g通信模块都无法通信时，选用北斗短报文通信模块传输数据，实现通信融合，自动切换通信方式，从而保证浮标数据采集系统与外界设备的正常通信，提高通信成功率，方便数据传输，保证了数据传输的可靠性和稳定性。
42.结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
43.图1是本发明提出的浮标数据采集系统的一个实施例的结构框图；
44.图2是本发明提出的浮标数据采集系统的控制方法的一个实施例的流程图；
45.图3是通信模块切换流程图。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
47.针对现有浮标存在通信方法单一，无法适应近、远海情况，通信成功率差，环境要求高，多种传感器导致功耗高，工作时间受限等问题，本发明提出了一种通信融合的浮标数据采集系统：在数据采集方面，采用多路232、485串口，使用中断的方式，采集水质、气象、波浪、电子罗盘、北斗定位数据，并在传感器不需要工作时，通过继电器控制传感器的通断，达到降低功耗的目的；在通信方面，采用4g、lora、北斗短报文融合通信的方法，在通信环境发生变化时，自动切换通信方式，将数据稳定、实时的传输回岸基中心与船载接收站点。
48.本发明针对浮标数据传输困难、通信成功率低等问题，提出了一种浮标数据采集系统及控制方法，通过自动选用lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块上传数据，从而方便数据传输，提高了通信成功率。下面以具体实施例的方式详细描述浮标数据采集系统及控制方法。
49.本实施例的浮标数据采集系统，安装在浮标上，浮标数据采集系统主要包括控制系统、传感器系统、数据传输系统等。
50.控制系统，其包括主控板，主控板是整个采集系统的控制中心，控制整个采集系统的运行。
51.传感器系统，其包括各种传感器，用于采集各种数据；传感器系统将采集到的数据发送至主控板。传感器系统可以获取各种监测数据，包括浮标的位置信息以及浮标周围的环境信息等。
52.数据传输系统，其包括lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块，参见图1所示；lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块分别与主控板连接通信。lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块的波特率为115200，采用rs232通信协议。
53.其中，当主控板需要与外界设备通信时，主控板开启lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块；lora通信模块接收到lora通信信息时发送至主控板；4g通信模块接收到4g通信信息时发送至主控板；北斗短报文通信模块接收到短报文通信信息时发送至主控板。
54.主控板检测是否接收到lora通信信息；如果接收到lora通信信息，则关闭4g通信模块和北斗短报文通信模块，采用lora通信模块与外界设备通信；由lora通信模块发送数据。
55.如果没有接收到lora通信信息，则检测是否接收到4g通信信息，若接收到4g通信信息，则关闭lora通信模块和北斗短报文通信模块，采用4g通信模块与外界设备通信；由4g通信模块发送数据。
56.如果没有接收到lora通信信息和4g通信信息，则关闭lora通信模块和4g通信模块，采用北斗短报文通信模块与外界设备通信；由北斗短报文通信模块发送数据。
57.lora通信、4g通信、短报文通信分别对应近距离通信、近海通信与远海通信三种方式。
58.lora通信方式在海上的通信距离可达8km，当在浮标附近使用船载终端接收时，主控板接收到lora连接信息后，仅保留lora通信模块工作，关闭其它通信模块，在船载终端上通过lora网关接收实时浮标信息。
59.当浮标位于近海，主控板没有接收到lora连接信息，而是接收到4g连通信息后，仅保留4g通信模块工作，关闭其它通信模块，并减小数据采集时间间隔，依靠4g通信的高带宽采集更多数据。
60.当浮标位于远海，主控板接收不到lora连通信息和4g连通信息时，仅保留北斗短报文通信模块，主控板关闭其它通信模块，受北斗短报文通信频率限制，单位时间内传输数据量受限，故增加数据采集间隔，确保数据回传的稳定性与完整性。
61.本实施例的浮标数据采集系统，通过设计lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块，当lora通信模块可以通信时，采用lora通信模块传输数据；当lora通信模块无法通信、4g通信模块可以通信时，选用4g通信模块传输数据；当lora通信模块和4g通信模块都无法通信时，选用北斗短报文通信模块传输数据，实现通信融合，自动切换通信方式，从而保证浮标数据采集系统与外界设备的正常通信，提高通信成功率，方便数据传输，保证了数据传输的可靠性和稳定性。
62.在本实施例中，传感器系统包括电子罗盘、气象传感器、海水传感器、北斗接收机、波浪传感器等，从而可以获得浮标的定位以及浮标周围比较全面的监测数据。电子罗盘、气象传感器、海水传感器、北斗接收机、波浪传感器分别将采集到的数据发送至主控板。
63.电子罗盘，用于获取浮标的姿态数据和位置数据，实现导航定位。
64.北斗接收机，用于获取北斗定位数据，实现导航定位。
65.气象传感器，用于获取气象数据。
66.海水传感器，用于获取水质数据。
67.波浪传感器，用于获取波浪数据。
68.其中，波浪传感器、电子罗盘采用rs232通信协议，波特率均为9600；北斗接收机、气象传感器、海水传感器采用rs485通信协议，波特率分别为9600、19200与9600。电子罗盘、气象传感器、海水传感器为主动查询方式，仅在接收到查询指令后返回相应数据；北斗接收机、波浪传感器为被动查询方式，产生数据后主动发送数据。
69.在本实施例中，为了便于为浮标上的各个用电设备供电，浮标数据采集系统还包括电源模块，电源模块分别为电子罗盘、气象传感器、海水传感器、北斗接收机、波浪传感
器、lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块供电，在每条供电线路上分别设置有一个光耦继电器，主控板通过光耦继电器控制供电线路的通断。
70.通过在每条供电线路上设置光耦继电器，既方便控制供电线路的通断，又可以实现隔离，保证主控板及各个用电设备的安全。
71.主控板通过电源模块供电，并通过各个继电器来控制各个传感器的上电与否。
72.具体来说，电源模块包括电源a、电源b、电源c、电源d、电源e、电源f、电源g、电源h、电源j和8个光耦继电器；电源a为海水传感器电源，电源b为北斗短报文通信模块电源，电源c为lora通信模块电源，电源d为4g通信模块电源，电源e为主控板电源，电源f为波浪传感器电源，电源g为电子罗盘电源，电源h为北斗接收机电源，电源i为气象传感器电源。其中，电源e与主控板之间的供电线路上没有光耦继电器，其余的八条供电线路上都设置有一个光耦继电器，主控板控制8个光耦继电器的通断，用于控制5个传感器、3个通信模块的上电与否。
73.当需要某个用电设备工作时，主控板控制相应供电线路上的光耦继电器闭合，进而控制相应供电线路导通；当不需要某个用电设备工作时，主控板控制相应供电线路上的光耦继电器关断，进而控制相应供电线路断开，从而达到省电节能的作用。
74.在本实施例中，电子罗盘、气象传感器、海水传感器为主动查询方式，在接收到主控板的查询指令后返回采集数据。
75.当不需要电子罗盘/气象传感器/海水传感器采集数据时，主控板控制电子罗盘/气象传感器/海水传感器的供电线路断开；
76.当需要电子罗盘/气象传感器/海水传感器采集数据时，主控板控制电子罗盘/气象传感器/海水传感器的供电线路导通，并发送查询指令至电子罗盘/气象传感器/海水传感器；
77.电子罗盘/气象传感器/海水传感器接收到查询指令后，采集数据，并将采集数据发送至主控板。
78.通过上述设计，仅在需要电子罗盘/气象传感器/海水传感器采集数据时，才向电子罗盘/气象传感器/海水传感器供电，可以减小功耗，省电节能，延长浮标的使用时间。
79.在本实施例中，北斗接收机、波浪传感器为被动查询方式，采集到数据后主动发送至主控板。
80.北斗接收机、波浪传感器均是周期性采集数据，北斗接收机、波浪传感器具有各自的数据采集周期。
81.在每个北斗接收机/波浪传感器的数据采集周期内，当北斗接收机/波浪传感器不采集数据时，主控板控制北斗接收机/波浪传感器的供电线路断开；
82.在每个北斗接收机/波浪传感器的数据采集周期内，当北斗接收机/波浪传感器采集数据时，主控板控制北斗接收机/波浪传感器的供电线路导通。
83.通过上述设计，在一个数据采集周期内，仅在北斗接收机/波浪传感器进行数据采集时，才向北斗接收机/波浪传感器供电，可以减小功耗，省电节能，延长浮标的使用时间。
84.在本实施例中，当分别采用4g通信模块、lora通信模块、北斗短报文通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期逐渐变大。
85.具体来说，采用4g通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期为
t11；采用lora通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期为t12；采用北斗短报文通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期为t13；t11＜t12＜t13。
86.采用4g通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期小(即数据采集间隔小)，依靠4g通信的高带宽采集更多数据。
87.采用lora通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期适中(即数据采集间隔适中)。
88.采用北斗短报文通信模块与外界设备通信时，受北斗短报文通信频率限制，单位时间内传输数据量受限，北斗接收机的数据采集周期大(即数据采集间隔大)，确保数据回传的稳定性与完整性。
89.因此，当采用不同的通信模块与外界设备通信时，北斗接收机的数据采集周期不同，以保证数据上传的稳定性和完整性。
90.在本实施例中，当分别采用4g通信模块、lora通信模块、北斗短报文通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期逐渐变大。
91.具体来说，采用4g通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期为t21；采用lora通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期为t22；采用北斗短报文通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期为t23；t21＜t22＜t23。
92.采用4g通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期小(即数据采集间隔小)，依靠4g通信的高带宽采集更多数据。
93.采用lora通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期适中(即数据采集间隔适中)。
94.采用北斗短报文通信模块与外界设备通信时，受北斗短报文通信频率限制，单位时间内传输数据量受限，波浪传感器的数据采集周期大(即数据采集间隔大)，确保数据回传的稳定性与完整性。
95.因此，当采用不同的通信模块与外界设备通信时，波浪传感器的数据采集周期不同，以保证数据上传的稳定性和完整性。
96.数据采集时，首先通过主控板配置各传感器的波特率与数据位数。之后设定电子罗盘、气象传感器、海水传感器的查询间隔时间，并按照相应的时间间隔查询数据，在传感器未工作时，主控板通过继电器控制相应传感器断电，仅在查询数据时进行供电，达到降低功耗的目的。主控板设置北斗接收机和波浪传感器的数据采集周期；波浪传感器每20分钟采集一次波浪数据，需要一直处于工作状态，仅在不需要波浪数据时通过继电器切断供电线路。北斗接收机每20分钟采集一次北斗定位数据，仅在不需要北斗定位数据时通过继电器切断供电线路。
97.在主控板上设置有存储模块，如tf存储卡，容量为128g。存储模块用于存储主控板接收到的各种数据。
98.在本实施例中，传感器系统将采集到的数据发送至主控板，主控板将接收到的采集数据进行解析，然后封装，并将原始的采集数据和封装后的数据存储到主控板的存储模块中，以便于后期查验。
99.在本实施例中，将采集数据和封装后的数据存储到主控板的存储模块中，具体包括：
100.首先检查存储模块上是否存在当前日期目录。
101.如果不存在当前日期目录，则先根据当前日期创建当前日期目录，并在当前日期目录下创建多个文档，每个文档对应着一种数据类型(即对应着一种传感器)，然后将采集数据和封装后的数据按照数据类型存储到当前日期目录下的对应文档中。
102.如果存在当前日期目录，则直接将采集数据和封装后的数据按照数据类型存储到当前日期目录下的对应文档中。
103.通过上述存储操作，以便于后期可以快速查找到每个传感器的原始采集数据和新封装后的数据，便于查验。
104.传感器不同，数据类型不同，因此，不同类型的数据，是指不同传感器的数据。在当前日期目录下，为每个传感器创建一个对应文档，用于保存每个传感器的原始采集数据以及封装后的。例如，在本实施例中，在当前日期目录下，创建5个文档，分别用于存储电子罗盘、气象传感器、海水传感器、北斗接收机、波浪传感器的原始采集数据及封装后的数据。
105.主控板中的文件系统采用fatfs系统，它是一个开源的、常用于小型嵌入式系统中的fat文件系统，具有良好的硬件独立性。
106.浮标终端开机后，主控板在获取到各传感器的原始采集数据后，检查是否存在当前日期目录，目录命名规则为“yyyy-mm-dd”，若目录不存在则根据当前日期创建目录，若目录存在则将不同类型的数据分别存储到对应的文档中，便于浮标回收后查看原始采集数据和新封装后的数据，确保数据的安全性与完整性。
107.下面对新封装后的数据结构进行说明。
108.主控板接收到各传感器的采集数据后，对不同类型的数据类型按照相应协议进行数据解析，并将数据进行重新封装，打包为一条新的数据，原始采集数据和新封装后的数据存储到存储模块中的当前日期目录下。
109.新封装的数据由协议头、数据区、协议校验组成，参见表1所示，其中协议头包括协议头标识、浮标标识、数据标识和数据长度部分，各部分长度为一个字节，数据区长度由数据标识决定，协议的校验码采用异或校验方式。新封装的数据的构成参见表1所示。数据标识与数据区内容对应关系如表2所示。
110.表1
[0111][0112]
表2
[0113][0114]
数据封装打包、存储完后进行数据传输工作，自动切换lora通信模块、4g通信模块、北斗短报文通信模块上传数据，提高通信成功率。
[0115]
本实施例提供了一种通信融合的浮标数据采集系统，该系统包含了数据采集、数据存储、控制系统、数据传输等子系统，可以实现近、远海浮标的数据采集与发送，解决了远海工作时功耗过高、通信成功率低、数据传输困难等问题。
[0116]
本实施例的浮标数据采集系统，通过多路串口接收数据，并控制传感器的通断，不仅保证了采集数据的有效与安全性，更有效地降低了浮标的功耗，延长了浮标的工作时间；通过融合通信的方法传输数据，解决了在移动通信网络信号差时无法实时传回数据的问题，也为远海传输与船载接收提供了新思路。
[0117]
基于上述浮标数据采集系统的设计，本实施例还提出了一种基于浮标数据采集系统的控制方法，主要包括下述步骤，参见图2所示。
[0118]
(1)主控板上电后，检测采集系统的各个设备是否正常。
[0119]
(2)当检测到有设备异常时，将异常数据上传岸基中心，然后整个采集系统复位，重新检测各个设备是否正常。
[0120]
(3)当检测到各个设备均正常时，主控板控制传感器系统采集数据。
[0121]
(4)主控板接收传感器系统发送的采集数据，并将接收到的采集数据进行处理。主控板对采集数据的处理具体包括：对采集数据进行解析，然后进行封装，打包为一条新的数据。主控板将原始的采集数据和新封装后的数据存储到存储模块中。
[0122]
(5)主控板将处理后的数据通过数据传输系统向外发送，上传至岸基中心。
[0123]
参见图3所示，当主控板通过数据传输系统传输数据时，主控板检测是否接收到lora通信信息；如果接收到lora通信信息，则关闭4g通信模块和北斗短报文通信模块，采用lora通信模块与外界设备通信；由lora通信模块发送数据。
[0124]
如果没有接收到lora通信信息，则检测是否接收到4g通信信息，若接收到4g通信信息，则关闭lora通信模块和北斗短报文通信模块，采用4g通信模块与外界设备通信；由4g通信模块发送数据。
[0125]
如果没有接收到lora通信信息和4g通信信息，则关闭lora通信模块和4g通信模块，采用北斗短报文通信模块与外界设备通信；由北斗短报文通信模块发送数据。
[0126]
本实施例的基于浮标数据采集系统的控制方法，可以实现近、远海浮标的数据采
集与发送，解决了远海工作时功耗过高、通信成功率低、数据传输困难等问题。
[0127]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。