張小波, 姜靜波, 張立斌, 陳永華

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海洋牧場(chǎng)環(huán)境要素自動(dòng)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張小波1, 姜靜波2, 張立斌2, 陳永華2

(1. 國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心, 山東青島 266033; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東青島 266071)

設(shè)計(jì)了一種適用于海洋牧場(chǎng)環(huán)境要素的自動(dòng)采集方法, 可同步觀測(cè)牧場(chǎng)海域氣象數(shù)據(jù)與水質(zhì)數(shù)據(jù), 并實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的分類與存儲(chǔ)。結(jié)果表明, 獲取數(shù)據(jù)數(shù)值符合海洋牧場(chǎng)水質(zhì)要素時(shí)間序列的變化規(guī)律, 能為海洋牧場(chǎng)防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警提供有效的數(shù)據(jù)支持。

海洋牧場(chǎng); 環(huán)境要素; 自動(dòng)采集

目前, 國(guó)內(nèi)的海洋牧場(chǎng)正處于蓬勃發(fā)展階段, 各沿海省市建立了多個(gè)海洋牧場(chǎng), 其中大部分牧場(chǎng)環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)還依靠傳統(tǒng)的人工攜帶儀器乘船出海的調(diào)查方式來實(shí)現(xiàn), 在數(shù)據(jù)獲取效率及時(shí)間連續(xù)性方面存在明顯不足[1-3]。本文立足于中國(guó)近海海洋牧場(chǎng)的環(huán)境要素綜合觀測(cè)需求, 提出了一種基于固定平臺(tái)的海面氣象與海水水質(zhì)的綜合自動(dòng)觀測(cè)方法, 為海洋牧場(chǎng)綜合環(huán)境要素提供了可靠的監(jiān)測(cè)手段。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用海上固定平臺(tái), 采用無人值守工作模式, 通過無線傳輸技術(shù), 實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)水面風(fēng)、溫、濕、壓要素和海水溫鹽、濁度、溶解氧、葉綠素、pH值要素的遠(yuǎn)程無線傳輸, 岸站主機(jī)每10 min接收氣象水質(zhì)數(shù)據(jù)一次, 完成海洋牧場(chǎng)環(huán)境要素的自動(dòng)采集。系統(tǒng)的組成與布局如圖1所示。

海洋牧場(chǎng)環(huán)境要素自動(dòng)采集系統(tǒng)主要有海面氣象傳感器、水質(zhì)傳感器、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。

氣象站選取美國(guó)R.M.YOUNG公司的風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器和降雨量傳感器作為基本觀測(cè)設(shè)備; 水質(zhì)傳感器選取美國(guó)YSI-EXO2綜合水質(zhì)儀, 可以同步采集水溫、鹽度、電導(dǎo)、密度、濁度、溶解氧、葉綠素和pH值等海洋牧場(chǎng)海域的水質(zhì)要素; 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由CR1000數(shù)據(jù)采集器和控制電路組成, 控制電路的繼電器控制各傳感器的上電與斷電, CR1000順序向各設(shè)備發(fā)送工作指令, 完成數(shù)據(jù)的采集; 供電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能蓄電池組成, 二者通過太陽能控制器連接; 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)同步集成GPS、數(shù)據(jù)傳輸模塊(date transfer unit, 簡(jiǎn)稱DTU)等, 通過CDMA通信方式, 定時(shí)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至岸站。整套系統(tǒng)的電器框圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要工作流程功能如下: (1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接外部電源并同步給各氣象設(shè)備和水質(zhì)儀供電; (2)按固定采樣間隔向各氣象傳感器和水質(zhì)儀發(fā)送指令, 獲取其數(shù)據(jù), 疊加存儲(chǔ)到采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)卡中; (3)通過指令將最近收到的一組完整數(shù)據(jù)發(fā)送到DTU中, 繼而通過CDMA等無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到岸站終端; (4)岸站數(shù)據(jù)接收程序會(huì)將傳回的數(shù)據(jù)解析后, 存入數(shù)據(jù)庫并在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)界面化顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海洋牧場(chǎng)環(huán)境要素自動(dòng)采集系統(tǒng)選取在牧場(chǎng)中的固定平臺(tái)上布放, 考慮到工作環(huán)境惡劣并且能源緊缺, 設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了系統(tǒng)整體的低功耗特性。選取的氣象傳感器和水質(zhì)傳感器均采用電壓輸出信號(hào)模式, 降低其功耗, 眾多設(shè)備中只有DTU在數(shù)據(jù)發(fā)射過程中較為耗電[4-6], 故選擇通過受控開關(guān)控制DTU的通斷電。系統(tǒng)中設(shè)置采樣間隔為10 min, DTU向岸站發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括10 min內(nèi)的平均風(fēng)速、平均風(fēng)向、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間、最大風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)向、內(nèi)平均溫濕度、最大溫濕度、最小溫濕度、平均氣壓、最大氣壓、最小氣壓、降雨量等。為合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電源, 將每臺(tái)設(shè)備的功耗參數(shù)作如下統(tǒng)計(jì), 如表1所示。

通過表1可以看出, 整個(gè)系統(tǒng)所集成的觀測(cè)設(shè)備每日功耗為73.344 Wh。根據(jù)海上實(shí)際情況, 設(shè)計(jì)采用選擇4塊并聯(lián)的12 V輸出電壓 200 Ah容量的太陽能膠體蓄電池, 通過充電控制器連接4塊70 W的多晶硅太陽能電池板, 組成整個(gè)系統(tǒng)的供電單元。根據(jù)此種搭配方式, 即使無太陽能補(bǔ)充, 系統(tǒng)也可在蓄電池單獨(dú)放電的情況下持續(xù)運(yùn)行工作4個(gè)月。

岸站端為數(shù)據(jù)接收和顯示終端, 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋牧場(chǎng)資源環(huán)境要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)更新、歷史數(shù)據(jù)查閱、歷史趨勢(shì)圖繪制、自動(dòng)預(yù)警等功能。選擇Visual Studio C#開發(fā)工具編寫數(shù)據(jù)庫前端人機(jī)交互界面軟件, 后端數(shù)據(jù)庫工具選擇SQLServer2010, 可實(shí)現(xiàn)氣象、水質(zhì)數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)。

表1 各用電設(shè)備功耗參數(shù)

在采集數(shù)據(jù)的過程中, 數(shù)據(jù)由CDMA網(wǎng)絡(luò)傳回到岸站主機(jī)端口, 完成解析入庫, 并同步在主界面顯示, 每10 min更新一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫主要建立3個(gè)數(shù)據(jù)表, 一個(gè)為主表, 記錄每組數(shù)據(jù)的編號(hào)和采集時(shí)間, 另兩個(gè)主要的數(shù)據(jù)表分別記錄海面氣象數(shù)據(jù)和綜合水質(zhì)數(shù)據(jù), 其具體數(shù)據(jù)描述如表2、表3所示。

表2 海洋牧場(chǎng)氣象參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

通過儀表化的數(shù)據(jù)接收終端界面, 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋牧場(chǎng)海面的風(fēng)速風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓和降雨等多個(gè)氣象要素, 以及海水中水溫、鹽度、電導(dǎo)率、pH、溶解氧、葉綠素等水質(zhì)信息, 方便工作人員及時(shí)掌握海洋牧場(chǎng)綜合環(huán)境資料(圖3、圖4)。

3 應(yīng)用

海洋牧場(chǎng)環(huán)境要素自動(dòng)采集系統(tǒng)于2016年7月成功布放于唐山祥云灣海洋牧場(chǎng), 該海域曾是渤海漁場(chǎng)生物重要繁育場(chǎng)之一, 隨著越來越多工業(yè)項(xiàng)目落戶環(huán)渤海地區(qū), 水質(zhì)環(huán)境曾經(jīng)惡化, 近年來隨著國(guó)家對(duì)海洋牧場(chǎng)建設(shè)的扶持和企業(yè)的投入, 其水質(zhì)環(huán)境自2008年起正在逐步改善。該系統(tǒng)集成美國(guó)YSI-EXO2多參數(shù)水質(zhì)儀和R.M.YOUNG專業(yè)自動(dòng)氣象站, 結(jié)合CDMA無線傳輸技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了海洋牧場(chǎng)的水質(zhì)和氣象參數(shù)的同步在線監(jiān)測(cè), 解決了目前海洋牧場(chǎng)環(huán)境要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)獲取的技術(shù)難點(diǎn)。系統(tǒng)在海洋牧場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)和管理工作中的成功應(yīng)用, 為牧場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)資料的積累提供了平臺(tái), 為工作人員的日常撒苗、捕撈作業(yè)提供了環(huán)境數(shù)據(jù)分析和安全預(yù)警, 對(duì)于控制海洋牧場(chǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn), 提高生產(chǎn)效益, 有實(shí)際的意義。

表3 海洋牧場(chǎng)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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Automatic acquisition design for environmental factors of marine ranching

ZHANG Xiao-bo1, JIANG Jing-bo2, ZHANG Li-bin2, CHEN Yong-hua2

(1. North China Sea Marine Technical Support Center of State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China; 2. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

A method for the automatic acquisition system for environmental factors of marine ranching is proposed in this paper. Meteorological data and water quality data of the sea area can be observed in real-time. The data obtained are consistent with the seasonal variation of water quality factors, and the method can provide effective data support for disaster prevention and mitigation of marine ranching.

marine ranching; environmental factors; data acquisition

(本文編輯: 劉珊珊)

May 30, 2017

[Foundation of the Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, the Chinese Academy of Sciences, No. KLMEES201305; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. DXA11020703]

TP212.9

A

1000-3096(2017)06-0061-04

10.11759/hykx20170503001

2017-05-03;

2017-05-11

中國(guó)科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KLMEES201305); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)(DXA11020703)

張小波 (1979-), 男, 山東濱州人, 工程師, 主要從事海洋調(diào)查技術(shù)的研究, 電話: 0532-85761233, E-mail: zxb660@163.com; 姜靜波(1979-), 通信作者, 男, 山東青島人, 副研究員, 主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的研究, 電話: 0532-82898736, E-mail: jiangjingbo@qdio.ac.cn