|
20世纪80年代以来，地区和国家的海洋环境监测系统在关键海域发挥着重要作用，建设海洋环境监测系统的意义在于：及时、准确地掌握我国海域环境变化信息，增强海洋灾害预报和预报能力，降低海洋灾害造成的人民生命、财产的损失；为各级政府维护海洋权益，合理开发利用海洋，保护海洋环境等重大决策和长远规划提供科学依据；海洋是国防的前沿，各项军事活动，特别是先进的武器装备，都需要准确可靠的海洋环境数据作为必不可少的监测服务资料。 目前我国在沿海、部分海岛和海洋平台上建设了大量海洋站，对水文气象要素进行长期连续观测。但受地理位置、当地基础设施现状、数据传输距离、特殊需求等条件影响，导致数据通信方式存在多样性。为此，设计了支持卫星通信技术、串行通信技术、以太网等技术等混合通信模式的海洋环境综合监测系统软件。 1 系统结构及原理 1.1 系统组成 监测系统中下位机系统和上位机软件，值班主机等组成，其中下位机系统主要由水文子系统、气象子系统、岸基大气波导探测系统组成。 1.1.1 水文子系统组成 水文子系统主要由SCA11—3A型浮子式水位计（简称水位计）、YZY4—3型温控传感器等组成。可实时监测海洋的表层海水温度（简称水温）和表层海水温度，自动连续观测潮汐（简称水位），适用于海上浮标和海洋台站等现场的长期监测，可安装在海岸、海岛、海上平台、防波堤、码头、水库、河流等地。观测数据自动存储在水位计时，并通过RS232/422、光纤、GPRS/CDMA、微波等多种方式向上位机软件实时传送。 1.1.2 气象子系统组成 气象子系统主要由XZY3型气象数据采集器、气压传感器、风速风向传感器、气温湿度传感器、降水传感器、能见度仪等组成。气象要素自动化测量设备，主要用于陆地、海岛和海上平台连接自动采集、处理、显示和存储气流、相对湿度、气压、降水量、风速、风向和能见度数据。测量数据可以用多种通讯方式向上位机软件传输。 1.1.3 岸基大气波导探测系统组成 岸基大气波导探测系统主要由数据采集器、五层气压传感器、五层风速风向传感器、五层气温湿度传感器组成。主要用于测温不同高度的气温、相对湿度、气压、风速、风向数据，为研究大气波导现象提供了重要的环境数据。测量数据通过串行通信方式向上位机软件传输。 1.1.4 上位机软件组成 上位机软件主要由数据采集模块、数据处理引擎、数据库、图形用户界面、参数配置模块、数据输出模块、数据管理模块等组成。 1.2 系统工作原理 1）水文子系统数据上传过程可以分为两种方式，一种是通过电缆或光纤等形式将采集到的水文数据直接上传到上位机软件。该种方式适用于水文子系统和气象子系统安装位置距离较远情况下，另一种方式是通过电缆或者光纤将水文数据直接传送到气象子系统采集器中，由气象子系统采集器转发水文数据。
2）气象子系统将采集到的数据通过电缆或光纤等形式上传到上位机软件。
3）岸基大气波导探测系统将采集到的数据通过串行通信方式，上传到岸基大气波导探测系统上位机软件进行协议转换，将变换通信协议后的数据上传到海洋环境综合监测系统上位机软件。
4）海洋环境综合监测系统上位机软件需要根据不同通信形式，实时接收水文气象数据，完成与大气波导探测系统的数据交换，将气象数据变换通信协议转发给内部局域网相关系统设备，将水文气象数据变换通信协议发送至外部通信网相关系统设备，同时将水文气象数据、大气波导探测数据经由北斗通信机上传到岸基数据接收中心。
整个系统组成及通信如图1所示。 2 海洋环境综合监测系统软件设计 2.1 软件概述 软件是整个海洋环境综合监测系统的智能核心，可实现对所有子系统的交互性通信。软件是以VS2010平台下的新一代GUI开发工具Windows Presentation Foundation（简称WPF）为依托，以“语言为基础，实现数据分析、通信协议转换、对外数据通信、数据图形化显示、数据库存储等功能。数据库采用的是SQL Server 2005，通过对数据库的级联更新等实现了数据分级存储，提高了数据管理效率。同时，利用UML建立系统模型，将数据管理模块设计为一个独立的模块，提高数据管理的独立性。
软件主要特点如下：
1）采用多层系统架构设计；
2）软件功能模块化设计；
3）采用多线程技术；
4）支持混合通信；
5）支持人机交互操作。 2.2 软件功能设计 软件主要功能包括数据采集、数据处理、数据存储、数据查询、数据发送、数据图形化显示、数据报警显示等功能。
根据《GB/T 14914—2006海滨观测规范》，水文要素包括：潮汐、海浪、表层海水温度、表层海水盐度、海发光、海水气象要素包括：风、气压、空气温度、相对湿度、海面有效能见度、降水量、雾。其中潮汐、海浪、表层海水温度、表层海水盐度、海水以北京时24时（不含24时）为日界，气象项目以北京时20时（含20时）为日界[2]。因此，软件要完成多种来源、多种时间、多种精确度的海洋水文气象基础数据的采集、存储和管理。
因为软件的数据源具有采集方式多样性、采集时间不确定性、通信协议多样性、部分数据冗余性和数据来源多样性等特点，所以导致软件的数据通信具有混合多样性，见表1。
由于软件具有数据通信混合多样性，因而，数据接收和发送过程可以按照通信方式不同而分为多种模式，如图2所示。 2.2.1 数据接收过程通信设计 下面以常用通信模式为例进行介绍。
1）串行通信技术数据采集：软件在接收水文气象数据过程中，采用串行通信技术进行数据接收。为保证数据接收实时性，增加了独立线程，用于实时监听串口，接收串口数据。具体流程图如图3所示。
2）本地数据交换：海洋环境综合监测系统软件与岸基大气波导探测系统值班软件之间需要进行数据交换。监测系统软件将水温、水位数据等信息存储在文本信息中，以便探测系统软件进行调取使用，探测系统根据水温数据收集出海表及温度（简称皮温），用于测算大气波导数据。
海面表层水温与表皮水温之间的回归方程如下：Tw=0.8901Tw+2.74Tw=0.8901Tw+2.74 其中：TwTw 为海面表层水温值，TwTw 为海表皮温度
探测系统生成的大气波导数据存放在文本信息中，监测系统软件开辟一个独立线程实时监听该文本。当数据文本信息NotifyFilters.LastWrite发生改变后，读取文本信息内容。
上述操作的流程如图4所示。
3）以太网络技术数据采集：在一些条件比较特殊情况下，本文气象数据需要采用以太网络技术进行数据接收，数据采集流程与单行通信技术数据采集流程相同，如图3所示。
此外，软件需要实时接收内部局域网校时信息，具体流程图如图5所示。2.2.2 数据发送过程通信设计 1）以太网络技术数据发送：
为保证内部局域网、对外通信网相关设备能够实时收到本文气象数据，软件中设计了基于以太网络技术的数据发送模块，由于双网通信协议不同，所需数据内容也不同，因而，设计了不同通信模块。
数据的编报和发送是采用面向非连接的UDP协议（用户数据报协议），按照组播通信（Multicast）方式实现对多点方式连接，将本文气象数据同时发送到加入组播地址的网内系统设备。相比较点播通信（Unicast）方式，软件只需要将同一份数据对外传输一次，提高了数据传送效率；相比较广播通信（Broadcast）方式，避免了不相干的主机接收到该数据包，减少了骨干网出现拥堵的可能性。
以太网数据发送流程图6所示。 2）卫星通信技术数据发送：
软件在与卫星通信过程中，使用了串行通信技术和卫星通信技术。
在接收水文气象数据、大气波导数据后，按照卫星通信协议要求变换数据格式，再由串行通信方式经北斗通信机进行数据对外发送，其流程图如图7所示。 3 运行结果与分析 在实际运行环境下，由于分射线的水文数据、气象数据来自不同设备，且不同设备的时钟芯片也不能完全一致，因此两组数据到达会存在一定的时间间隔，而实际情况要求每分钟从两组数据提取部分内容按照新的通信协议打包后再对外发送。为此，软件采取了等待时间策略，在每分钟内某一指定时间点前确保水文气象数据都接收到后立即处理，通过实际验证，该策略既能保证最终发送的数据完整性，又能保证数据的时效性。
另外，软件接收到气象数据后立即将气象数据变换通信协议通过组播方式实时转发给内部局域网相关系统设备，去除了等待时间，极大的提高了数据时效性；软件接收水文数据后，实时更新用户界面信息，数据库存储，同时立即提取水量、水位数据等信息，存储在文本信息中，用于与大气波导探测系统的数据交换。 4 结论 软件采用图形化设计、菜单操作、界面友好，软件功能采用模块化设计，程序可移植性高，通用性强。软件使用多线程技术，稳定高效的实现了数据采集、数据解析、数据管理、数据发送等过程。软件功能多样化，实现了对采集数据的实时数据和曲线显示，提供了便捷的查询历史数据界面，完成了复杂混合通信环境下数据处理。
软件主要创新点如下：
1）以VS2010最新一代GUI开发工具WPF进行软件功能设计，软件具有数据可视化、数据文本显示、静态曲线显示、动态曲线显示；
2）软件在数据采集和数据发送过程中使用了卫星通信技术、串行通信技术、以大网络技术等多种通信技术完成程序功能设计；
3）软件数据采集过程，数据存储效率高，支持实时数据、整日数据、原始数据的多种数据存储体系，数据存储形式包括本地文本存储、数据库分级存储。
软件在实际工程中得到了很好的应用，能够准确实时的显示水文气象观测数据，完成与不同终端设备的实时数据通信。 参考文献： [1]王斌,叶颖,郭海,等.基于混合通信的海洋环境综合监测系统软件设计[J].计算机测量与控制,2015,23(12):4225-4228. 特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！
| 
发表于 2025-10-8 18:00:28