本文關鍵詞：基于觀測網(wǎng)的海底動力環(huán)境監(jiān)測軟件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

  更多相關文章： 海底觀測網(wǎng) 動力環(huán)境 CAN總線 雙冗余 Modem 岸基監(jiān)測

【摘要】：21世紀,對海洋動力資源的探測與開發(fā)利用已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)革命的前沿領域,是國家安全、環(huán)境保護、資源開發(fā)和災害預警所不可缺少的基礎技術和信息獲取手段,是當前人類所面臨資源短缺、環(huán)境惡化等一系列難題的有效解決途徑。發(fā)展海洋探測事業(yè)、開發(fā)海洋動力資源已經(jīng)成為世界各國的共識,越來越多的國家將其列為重要課題。而我國在海洋動力環(huán)境監(jiān)測方面尚處于起步階段,與發(fā)達國家差別比較大,技術還有亟待填補的空白�；谖覈５子^測網(wǎng)建設的迫切需求,海底動力環(huán)境長期實時監(jiān)測系統(tǒng),是南海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)的重要節(jié)點,通過光電復合纜與岸基站聯(lián)網(wǎng)解決海底觀測能源供給與數(shù)據(jù)傳輸限制問題,主要集成搭載ADV、ADCP、CTD、高精度壓力傳感器等海洋水文觀測儀器,獲取海底邊界層速度剖面場、湍流速度、溫度、鹽度、壓力等海洋環(huán)境要素,初步形成我國深海海底動力環(huán)境原位實時監(jiān)測能力,為我國南海海底觀測試驗試驗系統(tǒng)建設奠定基礎。本論文所涉及的海底動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),在“十一五”觀測網(wǎng)科研成果基礎上,在軟硬件方面重點對系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性以及可擴展性進行了大量改進優(yōu)化設計。論文重點闡述了系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的具體設計方案,詳細介紹了能源管理與通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、岸基監(jiān)測與反饋子系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方式,并簡單概述了各子系統(tǒng)相關硬件設計基礎。經(jīng)過一系列環(huán)境試驗與聯(lián)調實驗測試驗證,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,可擴展性強,很好的完成了課題任務要求。其中能源管理與通信子系統(tǒng),根據(jù)所集成搭載海洋觀測儀器電壓功耗及接口標準類型,設計傳感器通信模塊,通過現(xiàn)場CAN總線拓撲連接。各模塊采用AT90CAN128控制器,集成電源管理與CAN協(xié)議轉換電路,通過實現(xiàn)相關通信協(xié)議軟件,主要負責傳感器能源管理、數(shù)據(jù)采集控制、工作狀態(tài)監(jiān)控等。數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng),考慮到系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性與可靠性,設計雙冗余主從控制模塊,主從控模塊采用AT91SAM9263處理器,選擇核心板+底板設計方案,并對嵌入式Linux系統(tǒng)環(huán)境進行搭建,包括引導加載程序移植、嵌入式Linux內核裁剪、根文件系統(tǒng)設計等,通過搭建交叉編譯工具、網(wǎng)路調試服務等相關開發(fā)環(huán)境,進行多線程應用程序及系統(tǒng)腳本開發(fā),負責傳感器控制命令轉發(fā),采樣數(shù)據(jù)解析過濾組包等操作。岸基監(jiān)測與反饋子系統(tǒng),岸基監(jiān)測站采用曙光雙U刀片服務器,設計岸基監(jiān)測控制軟件,包括海底觀測網(wǎng)通道模塊、聲學網(wǎng)關通道模塊、傳感器能源管理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集控制模塊、岸基數(shù)據(jù)管理模塊、岸基故障診斷管理模塊等,并對軟件的整體設計以及數(shù)據(jù)展示進行優(yōu)化改進。在完成系統(tǒng)整體軟硬件設計后,進行系統(tǒng)控制艙以及平臺框架組裝,合理利用空間、減小布線冗余以及海纜布線干涉,為驗證系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性,先后進行了室內功能與性能測試,靜壓力、高低溫、振動等環(huán)境實驗、與其他系統(tǒng)節(jié)點聯(lián)調實驗,并對ADCP、ADV、CTD傳感器采樣數(shù)據(jù)進行分析驗證等。最后,對課題軟硬件設計進行了總結與展望,該系統(tǒng)可以作為一種通用性傳感器搭載平臺,廣泛應用于海洋監(jiān)測任務中,如濱海觀測站、監(jiān)測浮標等,能夠很好地滿足大多數(shù)在線或自容監(jiān)測需要。但是系統(tǒng)部分設計仍然存在一定的缺陷,需要繼續(xù)加以改進與優(yōu)化。比如傳感器模塊數(shù)據(jù)校驗與超時重傳、主從控模塊斷網(wǎng)數(shù)據(jù)完整續(xù)傳、岸基傳感器軟件模塊化設計等。
【關鍵詞】：海底觀測網(wǎng) 動力環(huán)境 CAN總線 雙冗余 Modem 岸基監(jiān)測
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P715.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 0 前言13-19
• 0.1 海洋監(jiān)測技術發(fā)展13-14
• 0.2 海底動力環(huán)境資源概述14-15
• 0.3 國外海底動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)狀況15-16
• 0.4 國內海底動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)狀況16-17
• 0.5 論文的主要內容與布局17-19
• 1 海底動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體設計19-33
• 1.1 課題背景介紹19-20
• 1.2 前期研究基礎20-21
• 1.3 系統(tǒng)整體架構方案21-24
• 1.3.1 系統(tǒng)硬件平臺設計23-24
• 1.3.2 系統(tǒng)軟件平臺設計24
• 1.4 海洋科學儀器24-32
• 1.4.1 聲學多普勒流速剖面儀25-27
• 1.4.2 聲學多普勒流速儀27-28
• 1.4.3 進口溫鹽深儀28-29
• 1.4.4 國產(chǎn)溫鹽深儀29-30
• 1.4.5 壓力傳感器30-31
• 1.4.6 聲學Modem單元31-32
• 1.4.7 原位微顆粒流速儀32
• 1.5 本章小結32-33
• 2 能源管理與通信子系統(tǒng)設計33-41
• 2.1 系統(tǒng)整體設計33-34
• 2.2 相關硬件基礎34-36
• 2.2.1 電源管理部分35-36
• 2.2.2 協(xié)議轉換部分36
• 2.3 系統(tǒng)軟件設計36-40
• 2.3.1 軟件工作流程36-37
• 2.3.2 傳感器電源管理37-38
• 2.3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集38-39
• 2.3.4 傳感器狀態(tài)監(jiān)控39-40
• 2.4 系統(tǒng)可靠性設計40
• 2.4.1 軟件可靠性設計40
• 2.5 本章小結40-41
• 3 數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)設計41-65
• 3.1 相關硬件基礎41-43
• 3.1.1 Socket CAN原理41-43
• 3.2 嵌入式Linux系統(tǒng)環(huán)境43-51
• 3.2.1 引導加載程序移植43-45
• 3.2.2 嵌入式Linux內核裁剪45-48
• 3.2.3 根文件系統(tǒng)設計48-51
• 3.3 應用程序開發(fā)環(huán)境51-56
• 3.3.1 搭建交叉編譯工具51-52
• 3.3.2 配置網(wǎng)絡調試服務52-54
• 3.3.3 移植開源開發(fā)軟件54-56
• 3.4 應用程序設計開發(fā)56-61
• 3.4.1 日志記錄線程56-57
• 3.4.2 命令控制線程57-58
• 3.4.3 數(shù)據(jù)采集線程58-59
• 3.4.4 數(shù)據(jù)上傳線程59-60
• 3.4.5 系統(tǒng)監(jiān)控線程60-61
• 3.4.6 冗余備份線程61
• 3.5 系統(tǒng)可靠性設計61-62
• 3.5.1 軟件可靠性設計61-62
• 3.6 系統(tǒng)腳本設計62-64
• 3.6.1 SD卡自動掛載62
• 3.6.2 TCP/IP網(wǎng)絡自動配置62-63
• 3.6.3 Socket CAN自動設置63
• 3.6.4 程序自啟動運行63-64
• 3.7 本章小結64-65
• 4 岸基監(jiān)測與反饋子系統(tǒng)設計65-79
• 4.1 以太網(wǎng)絡通道模塊65-67
• 4.1.1 與海底觀測平臺網(wǎng)絡連接66
• 4.1.2 與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡連接66-67
• 4.1.3 與故障診斷管理系統(tǒng)網(wǎng)絡連接67
• 4.2 聲學網(wǎng)關通道模塊67-68
• 4.3 傳感器能源管理模塊68-69
• 4.3.1 岸基主次級接駁盒69
• 4.4 傳感器模式管理模塊69-71
• 4.4.1 典型模式70
• 4.4.2 自定義模式70-71
• 4.5 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模塊71-74
• 4.5.1 岸基數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)72-74
• 4.6 故障診斷管理系統(tǒng)模塊74-76
• 4.6.1 岸基故障診斷管理系統(tǒng)75-76
• 4.7 軟件優(yōu)化設計76-78
• 4.7.1 軟件整體優(yōu)化設計76-77
• 4.7.2 數(shù)據(jù)展示優(yōu)化設計77-78
• 4.8 本章小結78-79
• 5 實驗驗證測試79-89
• 5.1 系統(tǒng)整體組裝79-81
• 5.1.1 系統(tǒng)控制艙79-80
• 5.1.2 平臺框架80-81
• 5.2 實驗室簡單環(huán)境實驗81-82
• 5.3 外部環(huán)境實驗82
• 5.4 系統(tǒng)聯(lián)調實驗82-86
• 5.4.1 與主次接駁盒聯(lián)調測試82-83
• 5.4.2 與原位微顆粒流速儀聯(lián)調測試83-84
• 5.4.3 與全系統(tǒng)陸上聯(lián)調測試84-86
• 5.5 傳感器數(shù)據(jù)分析86-88
• 5.5.1 CTD與壓力數(shù)據(jù)分析86-87
• 5.5.2 ADV數(shù)據(jù)分析87
• 5.5.3 ADCP數(shù)據(jù)分析87-88
• 5.6 本章小結88-89
• 6 課題總結與展望89-92
• 6.1 課題總結89-90
• 6.2 課題展望90-92
• 6.2.1 數(shù)據(jù)校驗與防碰撞90-91
• 6.2.2 斷網(wǎng)數(shù)據(jù)完整續(xù)傳91
• 6.2.3 傳感器軟件模塊化91-92
• 參考文獻92-94
• 致謝94-95
• 發(fā)表的學術論文95

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本文編號：734683