一种海洋水文远程实时智能监测系统的制作方法

1.本发明涉及海洋水文监测技术领域，特别涉及一种海洋水文远程实时智能监测系统。


背景技术：

2.海洋水文监测是海洋科研工作的基础，对于提高海上天气预报的准确性，对安全航行、经济航行十分有益处；同时，持续有效的监测海洋水文信息对了解海洋气象环境，并开发海洋资源等也具有非常重要的意义；
3.目前，传统的海洋水文监测方式主要是工作人员驾驶专用监测船到达观测点进行现场监测或到达观测点后抛撒浮标监测设备进行监测，待满足观测时间要求后，人工逐个将浮标监测设备捞回，再读取数据进行处理；现有的浮标监测设备不能自主移动监测，不能长时间持续工作，在海上也不便于管理，也没有实现智能化的远程控制管理；因此，当前海洋水文监测方式存在着监测效率低、浪费人力、成本高和管理方式落后等缺点；同时监测船容易受到环境因素的影响，不能实现全天候的监测；并且在恶劣天气时，例如暴风雨天气，利用监测船进行监测还存在一定的安全隐患。


技术实现要素：

4.鉴于上述技术问题，本发明提供至少解决上述部分技术问题的一种海洋水文远程实时智能监测系统，通过该系统可以对海洋水文持续远程实时监测，并实现了监测设备的远程控制管理，提高了监测效率，提升了监测安全性，节约了人力成本；便于海洋科研工作的开展，有助于提升航行的安全性和经济性。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.本发明提供一种海洋水文远程实时智能监测系统，该系统包括：多个海洋水文监测设备、智能控制平台和显示装置，其中：
7.所述海洋水文监测设备与所述智能控制平台通信连接；所述显示装置与所述智能控制平台连接；
8.所述海洋水文监测设备在工作区域的海面上漂浮移动，用于实时采集对应工作区域的海洋水文数据，并将所述海洋水文数据远程无线传送至所述智能控制平台；
9.所述智能控制平台对所述海洋水文数据进行处理，根据所述海洋水文数据生成可视化海洋水文模型，通过所述显示装置进行展示；同时，所述智能控制平台下发相应的控制指令对所述海洋水文监测设备进行移动控制。
10.作为本发明的一种优选技术方案，该系统还包括：云端数据库，所述云端数据库分别与所述海洋水文监测设备和所述智能控制平台通信连接，用于实时存储所述海洋水文监测设备采集的海洋水文数据；所述智能控制平台从所述云端数据库中获取海洋水文数据，并将处理后的数据存储于所述云端数据库。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述海洋水文监测设备上设置有：微型控制器、
水文信息采集模块、摄像装置、通信装置、定位模块、动力装置、供电装置、蓄电池和报警装置，其中：
12.所述水文信息采集模块、摄像装置、通信装置、定位模块、动力装置、蓄电池和报警装置分别与所述微型控制器连接；
13.所述微型控制器接收所述智能控制平台的指令，通过所述动力装置控制所述海洋水文监测设备在预设工作区域内移动；
14.所述水文信息采集模块用于实时采集海洋水文信息，并将所述水文信息通过所述通信装置传输至所述云端数据库；
15.所述摄像装置用于实时获取所述海洋水文监测设备所处区域的海洋影像信息，并将所述海洋影像信息通过所述通信装置传输至所述云端数据库；
16.所述定位模块用于实时获取所述海洋水文监测设备的位置信息，并将所述位置信息通过所述通信装置传输至所述云端数据库；
17.所述供电装置与所述蓄电池连接，为所述蓄电池补充电能；
18.所述蓄电池为所述海洋水文监测设备的各部件提供电能；
19.所述报警装置用于在所述海洋水文监测设备发生故障、蓄电池电压低于预设值或设备超出预设工作区域时进行声光报警，并将报警信息通过所述通信装置传输至所述智能控制平台及所述云端数据库。
20.作为本发明的一种优选技术方案，所述智能控制平台中设置有工作区域设定模块，所述工作区域设定模块用于将目标海域按照预设方式划分为多个工作区域。
21.作为本发明的一种优选技术方案，所述海洋水文监测设备的所述微型控制器中设置有路径规划模块，所述路径规划模块根据所述工作区域设定运行轨迹指令，自动进行工作区域内的路径规划，使所述海洋水文监测设备按照规划的路径移动。
22.作为本发明的一种优选技术方案，所述水文信息采集模块包括：分别与所述微型控制器电连接的雨量传感器、风速传感器、风向传感器、温湿度传感器、气压传感器和水质检测仪。
23.作为本发明的一种优选技术方案，所述海洋水文监测设备上还设置有：避障装置，所述避障装置与所述微型控制器连接，用于探测障碍物信息，并将所述障碍物信息传送于所述微型控制器计算所述海洋水文监测设备与障碍物的相对位置。
24.作为本发明的一种优选技术方案，所述海洋水文监测设备上还设置有：航标灯，所述航标灯与所述微型控制器连接，用于提供指示信号。
25.作为本发明的一种优选技术方案，所述供电装置包括以下任一种或多种：太阳能发电装置、风能发电装置、涡轮发电装置和波浪能发电装置。
26.作为本发明的一种优选技术方案，所述定位模块为以下任一种或多种组成：gps、北斗、glonass、伽利略和准天顶。
27.与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
28.1.本发明可以对海洋水文进行持续远程实时监测，并实现了监测设备的远程移动控制，海洋水文监测设备可移动，监测范围广，智能化高，提高了监测效率，节约了人力成本，也提升了海洋水文监测的安全性，有利于海洋科研工作的开展。
29.2.本发明系统中的海洋水文监测设备的结构布局合理，功能多；海洋水文监测设
备上设置了多种水文信息采集传感器，可有效的对海洋水文信息进行采集，便于了解海洋气象环境，进而有助于提升航行的安全性和经济性。
30.3.本发明系统中的海洋水文监测设备设置多种供电装置，提升了海洋水文监测设备的续航能力，便于对海洋水文进行持续监测。
31.4.本发明系统中的智能控制平台具有工作区域设定功能可实现海洋水文监测设备的工作区域划定，同时系统中的海洋水文监测设备具有路径规划功能，可自动进行工作区域内的路径规划，使海洋水文监测设备按照规划的路径移动；二者进行信息交互，相互关联配合，提高了监测效率；智能性高，也便于设备管理。
32.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
33.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
36.图1为本发明实施例提供海洋水文远程实时智能监测系统的框架图。
37.图2为本发明实施例提供的海洋水文监测设备的框架图。
38.图3为本发明实施例提供的海洋水文监测设备的结构图。
39.图4为本发明实施例提供的微型控制器的电路图。
40.其中，图3中，1-微型控制器；2-水文信息采集模块；21-雨量传感器；22-风速传感器；23-风向传感器；24-温湿度传感器；25-气压传感器；26-水质检测仪；3-摄像装置；4-通信装置；5-定位模块；6-动力装置；7-供电装置；71-太阳能发电装置；72-风能发电装置；8-蓄电池；9-报警装置；10-避障装置；11-和航标灯。
具体实施方式
41.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一
体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
45.参照图1所示，本发明提供了一种海洋水文远程实时智能监测系统，系统包括：多个海洋水文监测设备、智能控制平台和显示装置，其中：海洋水文监测设备与智能控制平台建立通信连接；显示装置与智能控制平台连接；本实施例中，海洋水文监测设备为海洋监测浮标，智能控制平台可以是计算机等控制终端设备，其中安装有相应的数据处理软件及设备控制软件；显示装置可以是液晶显示屏或led矩阵巨幕；具体工作时，智能控制平台和显示装置可以设置在监控中心，海洋水文监测设备投放在工作区域的海面上，海洋水文监测设备在工作区域的海面上进行漂浮移动，实时采集对应工作区域的海洋水文相关数据，并将采集的海洋水文相关数据远程无线传送至监控中心的智能控制平台；上述的海洋水文相关数据至少包括：目标区域的海洋水文信息，海洋影像信息和位置信息；
46.进一步地，智能控制平台对获取的海洋水文数据进行处理，生成可视化的海洋水文模型通过显示装置进行展示，此为现有技术在此不作过多阐述；同时，本实施例中智能控制平台可以下发控制指令对海洋水文监测设备进行移动控制。
47.进一步地，在本实施例中，系统还包括：云端数据库，云端数据库分别与海洋水文监测设备和智能控制平台建立通信连接，实时存储海洋水文监测设备采集的海洋水文数据；智能控制平台从云端数据库中获取海洋水文数据，并将处理后的数据存储于云端数据库；采用数据云端存储方式，数据不易丢失，有效的保证数据的安全性，即使某个海洋水文监测设备损坏也可查询其存储的数据；同时，如图1所示，系统中还可增加移动终端，使用移动终端与云端数据库建立连接，便于随时随地远程查看数据；移动终端与海洋水文监测设备建立通信连接，实现在移动终端上控制海洋水文监测设备的控制。
48.参照图2和图3所示，在本实施例中，海洋水文监测设备上至少设置有：微型控制器1、水文信息采集模块2、摄像装置3、通信装置4、定位模块5、动力装置6、供电装置7、蓄电池8、报警装置9、避障装置10和航标灯11等：其中，水文信息采集模块2、摄像装置3、通信装置4、定位模块5、动力装置6、蓄电池8、报警装置9、避障装置10和航标灯11分别与所述微型控制器1连接；
49.下面对上述各部件进行详细介绍：
50.本实施例中，微型控制器1安装于海洋水文监测设备内部，微型控制器1可采用具有stm32单片机的控制器或mega2560mcu开源微控制器；这里优选的采用mega2560，mega2560的电路如图4所示；mega2560是一款易用型开源控制器，硬件资源丰富，具有4路uart、6路外部中断、6个定时器、15路pwm波，16路10位ad、1路i2c接口、1路spi接口、io口数高达70个，支持freertos操作系统。该控制器耐候性好，可适用于海洋、湖泊等恶劣环境下使用，该控制器小体积、低成本、低功耗，有助于降低设备的体积及功耗，该控制器的硬件规格参数如下：
51.⑴
微控制器核心：mega2560(处理速度可达20mips)；
52.⑵
外部输入电压：dc+7v～+12v(建议)；
53.⑶
外部输入电压(极值)：dc+6v≤vin≤+20v；
54.⑷
输出电压：dc+5v/+3.3v；
55.⑸
数字信号i/o接口数：54(其中14个pwm输出接口)；
56.⑹
模拟信号输入接口数：16；
57.⑺
i/o接口电流：40ma；
58.⑻
flash容量：256kb；
59.⑼
sram静态存储容量：8kb；
60.⑽
eeprom存储容量：4kb。
61.工作时，微型控制器1通过通信装置4远程接收智能控制平台的指令，通过动力装置6控制海洋水文监测设备在预设工作区域内移动；本实施例中的动力装置6为具有螺旋桨的防水马达，通过马达的螺旋桨旋转带动海洋水文监测设备在海面上移动。
62.本实施例中，通信装置4为5g模块、gprs模块、gsm模块和cdma模块等中任一种或多种组合的无线通信模块；为海洋水文监测设备提供通信功能，使海洋水文监测设备通过通信装置4与智能控制平台和云端数据库建立通信连接。
63.本实施例中，水文信息采集模块2至少包括：雨量传感器21、风速传感器22、风向传感器23、温湿度传感器24、气压传感器25和水质检测仪26，用于实时采集海洋的降雨量、风速、风向、温湿度、气压及水质等信息，并将这些信息通过通信装置4传输至上述的云端数据库；上述的各个采集传感器可从现有技术中心获得，根据实际所需还可增加其他信息传感器。
64.如图3所示，本实施例中，摄像装置3采用三百六十度旋转的工业级红外摄像机，安装于海洋水文监测设备的上端，昼夜实时获取海洋水文监测设备所处区域的海洋影像信息，并将获取的海洋影像信息通过通信装置4传输至云端数据库。
65.本实施例中，定位模块5为以下任一种或多种组成：gps、北斗、glonass、伽利略和准天顶；这里优选的为正点原子gps+北斗atk1218-bd的双定位模块，具备定位导航功能；定位模块5外接有源天线，自带后备电源，用于实时精确地获取海洋水文监测设备的位置信息，并将位置信息通过通信装置4传输至云端数据库。
66.如图2和图3所示，供电装置7与蓄电池8连接，为蓄电池8补充电能；供电装置7包括以下任一种或多种：太阳能发电装置71、风能发电装置72、涡轮发电装置和波浪能发电装置；本实施例中，考虑供电效率、稳定性及技术成熟度，优选的采用太阳能发电装置71和风能发电装置72相结合的发电系统，并设置电源管理模块，可在蓄电池8的电量低于预设值时(例如百分之三十)持续补充电能直至充满。
67.如图3所示，本实施例中，蓄电池8安装于海洋水文监测设备内部，蓄电池8可采用铅酸、镍镉、镍氢和锂离子等电池中任一种，考虑成本、稳定性和容量，优选的采用可充电铅酸电池，为海洋水文监测设备上的各部件提供电能。
68.本实施例中，报警装置9为声光报警器，在海洋水文监测设备发生故障、蓄电池8电压过低或设备超出预设工作区域时进行声光报警，并将报警信息通过通信装置4传输至上述的智能控制平台及云端数据库，工作人员收到报警信息后针对报警信息采取相应的应急
措施。
69.本实施例中，避障装置10为毫米波雷达，避障装置10与微型控制器1连接，探测障碍物信息，并将障碍物信息传送于微型控制器1计算海洋水文监测设备与障碍物的相对位置，避免海洋水文监测设备在漂浮移动时被撞击导致损坏。
70.如图3所示，本实施例中，航标灯11优选的设置在海洋水文监测设备的顶端，用于提供指示信号。
71.需要特别说明的是：本发明的智能控制平台中设置有工作区域设定模块，可将目标海域按照预设方式划分为多个工作区域；例如：利用遥感卫星获取海面地图，从中选取出100平方公里的矩形目标海域，进行栅格化建模，建立栅格模型，按照等比例面积将选取的目标海域优选的划分为10个10平方公里的工作区域；然后在这10个工作区域分别投放1个海洋水文监测设备进行水文监测；
72.同时，海洋水文监测设备的微型控制器中设置有路径规划模块，路径规划模块根据工作区域设定运行轨迹指令，自动进行工作区域内的路径规划；
73.具体工作原理为：路径规划模块根据工作区域的范围值自动设定多个采样点，进一步地采用粒子群算法根据起始点和设置的采样点计算得初始路径轨迹，然后采用微分进化算法对初始路径轨迹进行优化，输出最优路径轨迹，海洋水文监测设备在运行时实时结合避障装置获取的障碍物信息变更路径轨迹；使海洋水文监测设备在规定的工作区域内高效的、安全的工作移动。
74.本发明中，海洋水文监测设备的回收采用智能控制方式，例如：通过智能控制平台根据各个海洋水文监测设备定位信息，计算出最佳回收区域位置，发送指令遥控海洋水文监测设备运行至指定回收位置，再统一打捞回收，节约了时间，避免了人力浪费，提高了效率。
75.本发明的洋水文远程实时智能监测系统中，还可增加设置岸基水文监测设备协同本实施例中的海洋水文监测设备(浮标监测设备)共同监测海洋水文，智能控制平台对二者监测的数据进行结合处理，便于统计分析海洋的水文气象信息，能够实现海洋信息的实时监测和处理，有助于及时的提供精准海洋天气预报；同时本发明也适用于河流、水库和湖泊的水文监测。
76.本发明提供的一种海洋水文远程实时智能监测系统，通过海洋水文监测设备与智能控制平台建立通信连接，监测数据可以远程实时传送，并采用云端存储的方式，保证了数据的安全性，也降低了成本。
77.本发明中的海洋水文监测设备上设置了动力装置，具有机动性，摒弃了传统的海洋浮标监测设备不能自主移动的缺点，通过设备移动可有效扩大监测范围，监测效率更好，水文信息获取的范围更广。
78.本发明中智能控制平台中设置有工作区域设定模块，海洋水文监测设备的所述微型控制器中设置有路径规划模块，二者结合应用可以智能的控制海洋水文监测设备来高效的获取海洋水文信息，提升了监测效率，也更智能。
79.本发明中海洋水文监测设备上设置了多种供电装置，提升了海洋水文监测设备的续航能力，便于对海洋水文进行持续监测；并且海洋水文监测设备上集成了多种传感设备，监测的数据误差小、精确度高；通过该系统可以对海洋水文进行持续远程实时监测，提升了
安全性，并实现了监测设备的远程移动控制，设备回收方便，节约了人力成本，有利于海洋科研工作的开展，便于了解海洋气象环境，进而有助于提升航行的安全性和经济性。
80.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，该系统包括：多个海洋水文监测设备、智能控制平台和显示装置，其中：所述海洋水文监测设备与所述智能控制平台通信连接；所述显示装置与所述智能控制平台连接；所述海洋水文监测设备在工作区域的海面上漂浮移动，用于实时采集对应工作区域的海洋水文数据，并将所述海洋水文数据远程无线传送至所述智能控制平台；所述智能控制平台对所述海洋水文数据进行处理，根据所述海洋水文数据生成可视化海洋水文模型，通过所述显示装置进行展示；同时，所述智能控制平台下发相应的控制指令对所述海洋水文监测设备进行移动控制。2.根据权利要求1所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，该系统还包括：云端数据库，所述云端数据库分别与所述海洋水文监测设备和所述智能控制平台通信连接，用于实时存储所述海洋水文监测设备采集的海洋水文数据；所述智能控制平台从所述云端数据库中获取海洋水文数据，并将处理后的数据存储于所述云端数据库。3.根据权利要求2所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述海洋水文监测设备上设置有：微型控制器、水文信息采集模块、摄像装置、通信装置、定位模块、动力装置、供电装置、蓄电池和报警装置，其中：所述水文信息采集模块、摄像装置、通信装置、定位模块、动力装置、蓄电池和报警装置分别与所述微型控制器连接；所述微型控制器接收所述智能控制平台的指令，通过所述动力装置控制所述海洋水文监测设备在预设工作区域内移动；所述水文信息采集模块用于实时采集海洋水文信息，并将所述水文信息通过所述通信装置传输至所述云端数据库；所述摄像装置用于实时获取所述海洋水文监测设备所处区域的海洋影像信息，并将所述海洋影像信息通过所述通信装置传输至所述云端数据库；所述定位模块用于实时获取所述海洋水文监测设备的位置信息，并将所述位置信息通过所述通信装置传输至所述云端数据库；所述供电装置与所述蓄电池连接，为所述蓄电池补充电能；所述蓄电池为所述海洋水文监测设备的各部件提供电能；所述报警装置用于在所述海洋水文监测设备发生故障、蓄电池电压低于预设值或设备超出预设工作区域时进行声光报警，并将报警信息通过所述通信装置传输至所述智能控制平台及所述云端数据库。4.根据权利要求3所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述智能控制平台中设置有工作区域设定模块，所述工作区域设定模块用于将目标海域按照预设方式划分为多个工作区域。5.根据权利要求4所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述海洋水文监测设备的所述微型控制器中设置有路径规划模块，所述路径规划模块根据所述工作区域设定运行轨迹指令，自动进行工作区域内的路径规划，使所述海洋水文监测设备按照规划的路径移动。6.根据权利要求3所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述水文
信息采集模块包括：分别与所述微型控制器电连接的雨量传感器、风速传感器、风向传感器、温湿度传感器、气压传感器和水质检测仪。7.根据权利要求3所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述海洋水文监测设备上还设置有：避障装置，所述避障装置与所述微型控制器连接，用于探测障碍物信息，并将所述障碍物信息传送于所述微型控制器计算所述海洋水文监测设备与障碍物的相对位置。8.根据权利要求3所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述海洋水文监测设备上还设置有：航标灯，所述航标灯与所述微型控制器连接，用于提供指示信号。9.根据权利要求3所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述供电装置包括以下任一种或多种：太阳能发电装置、风能发电装置、涡轮发电装置和波浪能发电装置。10.根据权利要求3所述的一种海洋水文远程实时智能监测系统，其特征在于，所述定位模块为以下任一种或多种组成：gps、北斗、glonass、伽利略和准天顶。

技术总结
本发明公开了一种海洋水文远程实时智能监测系统，该系统包括：多个海洋水文监测设备、智能控制平台和显示装置，其中：海洋水文监测设备与智能控制平台通信连接；显示装置与智能控制平台连接；海洋水文监测设备在工作区域的海面上漂浮移动，实时采集对应工作区域的海洋水文数据，并将采集的海洋水文数据远程无线传送至智能控制平台进行处理，生成可视化海洋水文模型通过显示装置进行展示；智能控制平台可下发控制指令对海洋水文监测设备进行移动控制；通过该系统可以对海洋水文持续远程实时监测，并实现了监测设备的远程移动控制管理，提高了监测效率，节约了人力成本，便于海洋科研工作的开展，有助于提升航行的安全性和经济性。性。性。


技术研发人员：孙珊 李佳蕙 王立明 马元庆 史雪洁 王佳莹 由丽萍 齐延民 田泽丰
受保护的技术使用者：山东省海洋资源与环境研究院（山东省海洋环境监测中心、山东省水产品质量检验中心）
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/7/31