基于观测网的海底动力环境监测软件系统的设计与实现

发布时间：2017-08-25 03:07

  本文关键词：基于观测网的海底动力环境监测软件系统的设计与实现

  更多相关文章： 海底观测网 动力环境 CAN总线 双冗余 Modem 岸基监测

【摘要】：21世纪,对海洋动力资源的探测与开发利用已经成为产业革命的前沿领域,是国家安全、环境保护、资源开发和灾害预警所不可缺少的基础技术和信息获取手段,是当前人类所面临资源短缺、环境恶化等一系列难题的有效解决途径。发展海洋探测事业、开发海洋动力资源已经成为世界各国的共识,越来越多的国家将其列为重要课题。而我国在海洋动力环境监测方面尚处于起步阶段,与发达国家差别比较大,技术还有亟待填补的空白。基于我国海底观测网建设的迫切需求,海底动力环境长期实时监测系统,是南海海底观测网试验系统的重要节点,通过光电复合缆与岸基站联网解决海底观测能源供给与数据传输限制问题,主要集成搭载ADV、ADCP、CTD、高精度压力传感器等海洋水文观测仪器,获取海底边界层速度剖面场、湍流速度、温度、盐度、压力等海洋环境要素,初步形成我国深海海底动力环境原位实时监测能力,为我国南海海底观测试验试验系统建设奠定基础。本论文所涉及的海底动力环境监测系统,在“十一五”观测网科研成果基础上,在软硬件方面重点对系统稳定性、可靠性以及可扩展性进行了大量改进优化设计。论文重点阐述了系统软件系统的具体设计方案,详细介绍了能源管理与通信子系统、数据采集与控制子系统、岸基监测与反馈子系统的软件实现方式,并简单概述了各子系统相关硬件设计基础。经过一系列环境试验与联调实验测试验证,该系统稳定可靠,可扩展性强,很好的完成了课题任务要求。其中能源管理与通信子系统,根据所集成搭载海洋观测仪器电压功耗及接口标准类型,设计传感器通信模块,通过现场CAN总线拓扑连接。各模块采用AT90CAN128控制器,集成电源管理与CAN协议转换电路,通过实现相关通信协议软件,主要负责传感器能源管理、数据采集控制、工作状态监控等。数据采集与控制子系统,考虑到系统整体的稳定性与可靠性,设计双冗余主从控制模块,主从控模块采用AT91SAM9263处理器,选择核心板+底板设计方案,并对嵌入式Linux系统环境进行搭建,包括引导加载程序移植、嵌入式Linux内核裁剪、根文件系统设计等,通过搭建交叉编译工具、网路调试服务等相关开发环境,进行多线程应用程序及系统脚本开发,负责传感器控制命令转发,采样数据解析过滤组包等操作。岸基监测与反馈子系统,岸基监测站采用曙光双U刀片服务器,设计岸基监测控制软件,包括海底观测网通道模块、声学网关通道模块、传感器能源管理模块、传感器数据采集控制模块、岸基数据管理模块、岸基故障诊断管理模块等,并对软件的整体设计以及数据展示进行优化改进。在完成系统整体软硬件设计后,进行系统控制舱以及平台框架组装,合理利用空间、减小布线冗余以及海缆布线干涉,为验证系统可靠性与稳定性,先后进行了室内功能与性能测试,静压力、高低温、振动等环境实验、与其他系统节点联调实验,并对ADCP、ADV、CTD传感器采样数据进行分析验证等。最后,对课题软硬件设计进行了总结与展望,该系统可以作为一种通用性传感器搭载平台,广泛应用于海洋监测任务中,如滨海观测站、监测浮标等,能够很好地满足大多数在线或自容监测需要。但是系统部分设计仍然存在一定的缺陷,需要继续加以改进与优化。比如传感器模块数据校验与超时重传、主从控模块断网数据完整续传、岸基传感器软件模块化设计等。
【关键词】：海底观测网 动力环境 CAN总线 双冗余 Modem 岸基监测
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P715.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 0 前言13-19
• 0.1 海洋监测技术发展13-14
• 0.2 海底动力环境资源概述14-15
• 0.3 国外海底动力环境监测系统状况15-16
• 0.4 国内海底动力环境监测系统状况16-17
• 0.5 论文的主要内容与布局17-19
• 1 海底动力环境监测系统整体设计19-33
• 1.1 课题背景介绍19-20
• 1.2 前期研究基础20-21
• 1.3 系统整体架构方案21-24
• 1.3.1 系统硬件平台设计23-24
• 1.3.2 系统软件平台设计24
• 1.4 海洋科学仪器24-32
• 1.4.1 声学多普勒流速剖面仪25-27
• 1.4.2 声学多普勒流速仪27-28
• 1.4.3 进口温盐深仪28-29
• 1.4.4 国产温盐深仪29-30
• 1.4.5 压力传感器30-31
• 1.4.6 声学Modem单元31-32
• 1.4.7 原位微颗粒流速仪32
• 1.5 本章小结32-33
• 2 能源管理与通信子系统设计33-41
• 2.1 系统整体设计33-34
• 2.2 相关硬件基础34-36
• 2.2.1 电源管理部分35-36
• 2.2.2 协议转换部分36
• 2.3 系统软件设计36-40
• 2.3.1 软件工作流程36-37
• 2.3.2 传感器电源管理37-38
• 2.3.3 传感器数据采集38-39
• 2.3.4 传感器状态监控39-40
• 2.4 系统可靠性设计40
• 2.4.1 软件可靠性设计40
• 2.5 本章小结40-41
• 3 数据采集与控制子系统设计41-65
• 3.1 相关硬件基础41-43
• 3.1.1 Socket CAN原理41-43
• 3.2 嵌入式Linux系统环境43-51
• 3.2.1 引导加载程序移植43-45
• 3.2.2 嵌入式Linux内核裁剪45-48
• 3.2.3 根文件系统设计48-51
• 3.3 应用程序开发环境51-56
• 3.3.1 搭建交叉编译工具51-52
• 3.3.2 配置网络调试服务52-54
• 3.3.3 移植开源开发软件54-56
• 3.4 应用程序设计开发56-61
• 3.4.1 日志记录线程56-57
• 3.4.2 命令控制线程57-58
• 3.4.3 数据采集线程58-59
• 3.4.4 数据上传线程59-60
• 3.4.5 系统监控线程60-61
• 3.4.6 冗余备份线程61
• 3.5 系统可靠性设计61-62
• 3.5.1 软件可靠性设计61-62
• 3.6 系统脚本设计62-64
• 3.6.1 SD卡自动挂载62
• 3.6.2 TCP/IP网络自动配置62-63
• 3.6.3 Socket CAN自动设置63
• 3.6.4 程序自启动运行63-64
• 3.7 本章小结64-65
• 4 岸基监测与反馈子系统设计65-79
• 4.1 以太网络通道模块65-67
• 4.1.1 与海底观测平台网络连接66
• 4.1.2 与数据管理系统网络连接66-67
• 4.1.3 与故障诊断管理系统网络连接67
• 4.2 声学网关通道模块67-68
• 4.3 传感器能源管理模块68-69
• 4.3.1 岸基主次级接驳盒69
• 4.4 传感器模式管理模块69-71
• 4.4.1 典型模式70
• 4.4.2 自定义模式70-71
• 4.5 数据管理系统模块71-74
• 4.5.1 岸基数据管理系统72-74
• 4.6 故障诊断管理系统模块74-76
• 4.6.1 岸基故障诊断管理系统75-76
• 4.7 软件优化设计76-78
• 4.7.1 软件整体优化设计76-77
• 4.7.2 数据展示优化设计77-78
• 4.8 本章小结78-79
• 5 实验验证测试79-89
• 5.1 系统整体组装79-81
• 5.1.1 系统控制舱79-80
• 5.1.2 平台框架80-81
• 5.2 实验室简单环境实验81-82
• 5.3 外部环境实验82
• 5.4 系统联调实验82-86
• 5.4.1 与主次接驳盒联调测试82-83
• 5.4.2 与原位微颗粒流速仪联调测试83-84
• 5.4.3 与全系统陆上联调测试84-86
• 5.5 传感器数据分析86-88
• 5.5.1 CTD与压力数据分析86-87
• 5.5.2 ADV数据分析87
• 5.5.3 ADCP数据分析87-88
• 5.6 本章小结88-89
• 6 课题总结与展望89-92
• 6.1 课题总结89-90
• 6.2 课题展望90-92
• 6.2.1 数据校验与防碰撞90-91
• 6.2.2 断网数据完整续传91
• 6.2.3 传感器软件模块化91-92
• 参考文献92-94
• 致谢94-95
• 发表的学术论文95

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本文编号：734683