（计算机系统结构专业论文）基于嵌入式技术的海洋环境在线监测系统的设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 捅要 海洋监测技术是海洋科学的重要组成部分，在维护海洋权益、开发海洋资 源、预警海洋灾害、保护海洋环境等方面都有着重大意义。本文结合国内外海 洋监测技术的最新进展，以计算机监控、网络通讯及嵌入式系统等技术为支撑， 设计并实现了一个具有高度自动化程度的海洋环境在线监测系统。 文中首先给出了整个海洋环境在线监测与灾害智能预警系统的整体架构及 各子系统的职能介绍，并在随后的章节中重点介绍数据监测子系统即海洋环境 在线监测系统的设计与实现。针对我国现有海洋环境监测系统自动化程度低、 效率差的现状，本文所设计的海洋环境在线监测系统引入了先进的计算机监控 技术，以嵌入式计算机系统充当海洋监测设备并组建分布式海洋环境在线监测 网络，提高了监测自动化程度和监测数据传输的实时性。监测网络由传感器、 浮标和台站三种类型的监测设备构成三级网络结构，具有极好的扩展性。传感 器和浮标以有线的方式互连，共同构成数据采集模块；台站设备位于监测网络 顶层，独立构成数据集成模块对下层监测设备及监测数据进行集中管理。考虑 到监测设备所处位置及海洋地理环境的特殊性，浮标和台站设备之间采用无线 g s m g p r s 的方式进行通讯。对于台站设备上的监测应用软件，本文采用 q t e m b e d d e d 作为开发工具进行实现。根据监测系统的应用需求，将监测软件 划分为设备管理，通讯连接管理，定时机制管理，数据管理等若干功能模块分 别实现，模块化结构增强了软件的扩展性和可配置性。为了便于外部应用对系 统内部的监测数据进行访问，本文实现了过程控制领域内的o p cx m ld a 标 准数据访问规范作为系统接口，增强了系统的开放性。 最后本文探讨了数据挖掘技术在海洋环境监测领域内的应用。在对模糊理 论及聚类分析方法深入研究的基础上成功地对基于目标函数的模糊聚类算法一 f c m 算法的两个不足之处进行改进，并将其应用于对赤潮监测数据的分析，取 得了良好的效果。 关键字：海洋监测；嵌入式系统；q t e m b e d d e d ；模糊聚类 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a r i n em o n i t o r i n gt e c h n i q u eh o l d sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nm a l i n es c i e n c e d o m a i n i th a sv i t a ls i g n i f a n c ei nm a r i n ee n v i r o m e n tp r o t e c t i n g 、m a r i n er e s o u r c e e x p l o r a t i o na n dm a r i n ed i s a s t e rf o r e c a s t r e f e r i n gt ot h en e w e s tm a r i n em o n i t o r i n g t e c h n i q u ei nt h ew o r l d ，t h i st h e s i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dah i 【g ha u t o m a t i c m a r i n ee n v i r o n m e n to n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h et e c h n i q u eo fc o m p u t e r m o n i t o r i n g ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e ds y s t e m t h i st h e s i sf i r s tg a v et h ed e s c r i p t i o no ft h ew h o l ea r c h i t e c t u r eo fm a r i n e e n v i r o n m e n to n l i n em o n i t o r i n ga n dm a r i n ed i s a s t e ri n t e l l i g e n tf o r e c a s t i n gs y s t e m a n dt h ef u n c t i o no fi t ss u b s y s t e m t h ef o l l o w i n gc h a p t e r si n t r o d u c e dh o wt od e s i g n a n di m p l e m e n td a t am o n i t o r i n gs u b s y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h el o wa u t o m a t i c a n di o we f f i c i e n tm a r i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fo u rc o u n t r y , t h i st h e s i si n t r o d u c e d c o m p u t e rm o n i t o r i n gt e c h n i q u ei n t om a r i n em o n i t o r i n gf i e l da n du s e da d v a n c e d e m b e d d e dc o m p u t e r sa sm o n i t o r i n gd e v i c e sc o n s t r u c t i n gad i s t r i b u t e dn e t w o r kt o m o n i t o rm a r i n ee n v i r o n m e n t t h a tg r e a t l yi m p r o v e da u t o m a t i o nl e v e la n dr e a k i m e p e r f o r m a n c e o f m o n i t o r i n g d a t & t h e m o n i t o r i n g n e t w o r kc o n s i s t e do f s e n s o r , b u o y , s t a t i o nt h r e ek i n do fd i f f e r e n tm o n i t o r i n gd e v i c e sc o n s t r u c t i n gt h r e e l e v e ln e t w o r ka t c h i t e c t u r ea n di th a dg o o de x p a n s i b i l i t y s e n s o ra n db u o yw o r e c o n n e c t e db yw i r e dw a yc o m p o s i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e s t a t i o nw a st h et o p l e v e ld e v i c eo fm o n i t o r i n gn e t w o r ka n di tc o m p o s e dd a mi n t e g r a t i o nm o d u l eb y i t s e l f s t a t i o nc o u l dm a n a g et h el o w e rl e v e ld e v i c e sa n dm o n i t o r i n gd a t a c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tl o c a t i o no f m o n i t o r i n gd e v i c e sa n dt h es p e c i a l i t yo f m a r i n e e n v i r o n m e n t , g s m g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw a sa d o p t e db e t w e e nb u o ya n d s t a t i o n t h es o f t w a r ea p p l i c a t i o nr u n n i n gi nm o n i t o r i n gd e v i c e sw a sd e v e l o p e db yt h e q t e m b e d d e dl i b r a r y a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t o f m o n i t o r i n g s y s t e m , m o n i t o r i n g s o f t w a r ew a sd i v i d e di n t os e v e r a lf u n e i o nm o d u l e st o i m p l e m e n t ，s u c h a sd e v i c e m a n a g e m e n tm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t m o d u l e ，t i m e rm a n a g e m e n tm o d u l ea n dd a t am a n a g e m e n tm o d u l ee t c f o rt h e c o n v e n i e n c eo fo u t e ra p p l i c a t i o n sa c c e s s i n gt h ei n t e r n a lm o n i t o r i n gd a t a , as t a n d a r d u 山东大学硕十学付论文 d a t aa c c e s ss p c c i f i c a t i e no f p r o c e s sc o n t r o | f i e l dw 鹊i m p l e m e n t e da n dt h a ti n c r e a s e d t h eo p e n n e s so f s y s t e m a tl a s to ft h i st h e s i s ，t h ea p p l i c a t i o no fd a t am i n i n gt e c h n i q u ei nm a r i n e m o n i t o r i n gf i e l dw a sd i s c u s s e d a f t e rat h o r o u g hr e s e a r c ho ff u z z yt h e o r y a n d c l u s t e r i n gm e t h o d ，t h i st h e s i sm a d ei m p r o v e m e n to nt w os h o r t a g eo ft h eo b j e c t i v e f u n c t i o nb a s e df u z z yc l u s t e r i n ga l g o r i t h m - f c ma l g o r i t h ma n da p p l i e di tt ot h e a n a l y s eo fr e dt i d em o n i t o r i n gd a t a e x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e dt h ei m p r o v e m e n t w a se f f b c t i r e k e yw o r d s ：m a r i n em o n i t o r i n g ；e m b e d d e ds y s t e m ；q t e m b e d d e d ；f u z z yc l u s t e r i n g m 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：囊：逊日期：卫! 之望：堇 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：坯型名师签名： 山东大学硕士学位论文 i 詈曼皇曼皇曼曼蔓曼量量曼曼鼍鼍皇皇曼! 量曼曼曼e 鼍曼皇皇音量寡鲁曾量| 曼曼曼量量曼曼曼曼g 曼薯曼曼曼曼量皇曼曼曼曼曼曼寡量曼| 曼曼皇 第一章绪论 1 1 论文的选题背景 随着陆上资源日趋匮乏，海洋资源的重要性日益凸现，世界海洋经济必将 持续快速地发展，成为世界经济发展中新的增长点。我国是一个海洋大国，海 岸线长达1 8 0 0 0 公里，管辖的海域面积近3 0 0 万平方公里，合理开发海洋资源， 顺利发展海洋经济对我国的经济可持续发展战略的实施有着举足轻重的作用。 然而海洋的存在也给我们带来一定的灾害威胁，如我国南部沿海经常遭受风暴 潮的袭击，全国很多海域近年来赤潮频发，这些灾害每年给我国带来的经济损 失以百亿元计。以赤潮为例，随着海洋污染的日益加重，自7 0 年以来发生赤潮 的海域和次数逐渐增多，进入九十年代后，赤潮更是频繁发生，仅2 0 0 0 年我国 近海就发生过2 8 次【1 赤潮等海洋灾害对沿海地区社会经济发展和人民生命 财产安全已造成了巨大的危害，进而对国家的经济建设产生不良影响。因此， 迫切需要研制有效的海洋环境在线监测及灾害智能预警系统，并建立良好的立 体监测与预报体系，以满足海洋资源开发、利用和社会、经济发展的需求。 海洋监测技术是海洋科学领域重要组成部分，在维护海洋权益、开发海洋 资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方 面都有着重大意义。海洋监测技术发展水平也是衡量一个海洋强国的重要标志， 因此我国政府非常重视对海洋监测技术的扶持，并将其列为国家8 6 3 计划的一个 主题，在“九五”、“十五”期间持续加大对海洋监测技术研究的投入力度， 旨在加强海洋监测高技术研究，提高对海洋环境的监测和保护能力，合理地进 行海洋资源开发利用【】。一些8 0 、9 0 年代兴起的检测、计算机、通信等技术日 趋成熟，其中不少理论成果已在实践中大量应用，这为研制新型、高性能的海 洋环境在线监测系统提供了有力的技术支持与保障。与此同时，各级地方政府 也非常重视海洋监测技术的科研工作，本论文的研究即受到山东省科学技术发 展计划重点项目“海洋环境在线监测及灾害智能预警系统的研制 ( 2 0 0 4 g g 2 2 0 5 1 0 8 ) ”的资助。 山东大学硕士学位论文 皇曼曼量曼曼曼曼寞曼曼曼曼置蔓皇曼量曼皇量舅曼曼舅曼曼葛皇曩曼量暑曼鼍皇暑量曼曼鲁曼曼量曼舞曼曼曼舅目曼曼皇曹皇曼舅量寡量i 鼍 1 2 国内外海洋自动监测技术现状 1 2 1 国际状况 美国、加拿大，欧共体等海洋强国从2 0 世纪7 0 年代开始就开始研究海洋 自动监测技术，经过持续多年的投入和发展，这些国家的海洋监测技术已走在 世界前列【4 卅： 1 2 0 世纪8 0 年代初，美国就建立了海岸海洋自动观测网( m a n ) 。该网 有4 8 个站( 1 3 个岸站，9 个近海平台站，1 7 个灯塔站) ，可对风速、风向、 气温、气压、表层水文、波浪、潮汐等环境要素进行自动观测。 2 2 0 世纪8 0 年代末，德国的m e r m a i d 海洋环境自动监测系统中应用了 2 7 个传感器，其中污染和生态环境监测传感器或仪器有溶解氧、叶绿素a 、 颗粒浓度和粒径、营养盐、荧光、重金属、微量有机污染物等。 3 挪威的s e a w a t c h 海洋自动监测系统采用模块化和标准化结构，对海 洋化境要素进行综合监测，实时传输。该系统在国际市场上取得良好经济 效益。欧洲，印度，东南亚等地区许多国家都有广泛的使用。 1 2 2 国内状况 我国是海洋大国，但还不是海洋强国，海洋科学与技术的发展水平与海洋 强国存在很大差距。作为海洋科学和技术的一部分，海洋监测技术水平亦落后 于先进海洋国家1 0 1 5 年，大部分海洋监测站仍旧以人工监测为主，自动化水平 较低。国内自主研发的一些监测设备也由于缺乏成果的标准化鉴定，一直无法 进入市场，国内高档海洋仪器市场的9 5 被国外产品所占据。 我国的海洋监测技术及其开发的仪器设备，虽然与发达海洋国家相比尚有 较大差距，但经过几十年来的努力，特别是“九五”期间的海洋监测高技术研 究，已取得了一批成果，开发了一系列产品，实现了跨越式发展，显著缩短了 与发达国家在海洋监测技术方面的差距。为了进一步推进我国海洋监测技术发 展，国家在“十五”计划中持续加强对海洋监测技术的支持力度，目标是在 g o o s ( 全球海洋监测系统) 框架下，建设中国近海海洋立体监测系统，加强 对近海环境的调查和监测，提高数据处理和数据产品服务能力，促进人口、资 源、环境的协调发展，支持海洋强国的建设闸。 2 山东大学硕士学位论文 1 3 课题的研究意义 海洋监测技术是海洋科学的重要组成部分，海洋监测技术的发展和海洋监 测系统的建设也是海洋强国建设的重要内容。本课题的研究成果对提高海洋环 境的立体监测和实时数据的获取的能力，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警报能力，最大限度地降低海洋灾害造成的人民生 命、财产的损失以及海洋污染预防、海洋生态环境的保护、国家海上安全防务 的保障等都具有重要的理论意义及实用价值；对今后进一步的研究和开发海洋 环境监测系统有着重要的借鉴、指导意义；并能为各级政府综合管理，维护海 洋权益，合理开发利用海洋资源，保护海洋环境等重大决策和长远规划提供及 时、准确、可靠的科学依据；为十六大提出的实施海洋开发战略部署做出贡献。 因此其推广应用及产业化前景十分乐观。 1 4 论文的主要内容 作为“海洋环境在线监测及灾害智能预警系统”的子课题，本文主要探讨 了计算机监控技术在海洋环境监测领域的应用，结合海洋环境的实际给出了监 测系统的设备组成，通讯方式，台站监测软件以及监测数据的聚类分析预处理 四个主要方面的设计与实现。本文共分六章，各章的要内容如下： 1 第一章介绍了课题背景，及国内外海洋环境自动监测系统的发展状况以 及课题研究的意义。 2 第二章介绍了海洋环境在线监测及灾害智能预警系统总体架构及其数据 监测，数据管理，模型分析，数据产品四个子系统基本职能。 3 第三章给出了海洋环境在线监测系统的技术路线及总体架构设计，包括 通讯方案的设计，监控设备硬件实体及软件环境的选择，数据访问接口的 设计等方面。 4 第四章给出了嵌入式海洋监测台站的软件实现。包括监测设备抽象管理 机制，o p cx m l - d a 接口及嵌入式历史数据库等的功能模块的实现。 5 第五章探讨了数据挖掘相关技术在海洋监测领域内的应用。提出了一种 新的模糊聚类分析方法用于对赤潮监测数据进行分析，并取得良好效果。 6 第六章对全文进行总结，并对今后的工作提出了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章海洋环境监测及灾害智能预警系统总体架构 近年来，随着信息网络技术的发展和日臻成熟完善，及大量网络通信基础 设施的兴建，信息系统建设的重点开始从单个应用系统的建设向应用集成系统 的建设转移，如“数字地球”和“数字海洋”等大型应用集成系统阴。可以说， “信息高速公路”的铺就，为大型信息应用集成系统的建设铺平了道路。同时， 随着微处理器技术、控制技术、传感器技术的发展，出现了大量智能控制芯片， 使传感器、执行器等现场监控仪器、设备可以直接配备网络接口，成为实时网 络控制中的节点，从而打破了传统的工业控制网络和信息网络的界限，为最终 实现现场级工业控制网络和信息网络一体化奠定了坚实的技术基础。 在此形势下，作为一种特殊的工业环境监控系统，海洋环境监测系统也从最 初的单一海洋要素采集器或海洋监 测站的多要素观测系统，发展到区域 海洋监测系统集成，并逐渐向建设国 家级全球性的一体化的海洋环境立 体监测网络体系发展。图2 1 为区域 性海洋立体监测集成示范系统组成 示意图。该系统集空中、海面、水下、 海岸多平台监测设备为一体，和数据 中心、数据通信网络共同构成海洋环 境立体监测网络体系。作为海洋环境 立体监测网络体系的延伸，海洋环境 在线监钡9 及灾害智能预警系统设计、图2 0 ! 区域海洋立体监测集成系统嗍 开发与建设也应当从封闭的单一应用的视角向开放的集成应用的理念转变。本 章以当今先进的计算机技术、网络技术、控制理论与技术，以及嵌入式系统等 为背景，结合国内外海洋环境科学领域内的研究成果及最新发展趋势o 3 1 ，提 出了海洋环境在线监测及灾害智能预警系统的架构，为实现海洋环境要素的实 时、延时、历史数据的采集、处理、分析，管理和数据通信网络、数据库、海 洋灾害预报模型、信息产品开发、数据资源共享与信息服务等功能模块的集成， 构造网络化、分布化、智能化、综合化的海洋环境在线监测及灾害智能预警系 4 山东大学硕士学位论文 统系统奠定了基础。 2 1 系统总体架构 海洋环境在线监测及海洋灾害智能预警系统不同于普通的信息系统，整个 系统的设计、构建、实施都是围绕海洋环境资源这一特殊的工业生产背景展开 的。因此，为了使得海洋环境在线监测及灾害智能预警系统最终能够实现业务 化运行，系统的流程、功能及组成的设计必须以标准的海洋环境监测流程为依 据，如图2 - 2 所示 图2 - 2 海洋环境监测流程图 根据系统设计目标，从系统集成层面规划，海洋环境在线监测及海洋灾害 智能预警系统由监测子系统、数据管理子系统、模型分析子系统和数据产品子 系统组成，总体结构如图2 - 3 所示。 女据采集j数据处理 数数数预信 信 据 据据报息息 采集处模产 声 集成- 理 型品品 处处建建制服 理理库模作务 图2 - 3 系统集成总体结构框图 作为一个综合性的信息监测与管理系统，海洋环境在线监测及灾害智能预 警在空间位置上具有分布性，由监测设备组成数据监测子系统处于近海环境， 山东大学硕士学位论文 数据管理子系统、模型分析子系统和数据产品子系统位于陆上数据中心，它们 之间通过无线和有线相结合的通讯网络联系起来。如图2 - 4 所示。 图2 - 4 系统空间分布图 2 2 各子系统功能介绍 2 2 1 数据监测子系统 数据监测子系统即本文致力于设计并实现的海洋环境在线监测系统，该系 统位于海洋环境在线监测及灾害智能预警系统架构的最底层，是整个系统的基 础，为数据管理，模型分析以及数据产品子系统提供监测数据。数据监测子系 统由数据采集和数据集成两个模块构成。数据采集模块由海洋浮标及监测要素 传感器组成，位于海洋环境中，直接采集海洋环境各种监测要素。数据集成模 块由海洋台站设备构成，台站设备是浮标设备的直接上级，接收浮标传来的实 时监测数据，将其保存到位于其上的嵌入式数据库中，对外提供基于o p cx m l d a 的标准数据访问接口，通过该接口，数据管理子系统直接读取或订阅位于 台站上的监测数据。本文后续章节将给出数据监测子系统的详细设计及实现。 2 2 2 数据管理子系统 数据管理子系统是整个系统的核心。所有子系统都通过数据管理子系统实 现数据的存储、交换等工作。而数据管理子系统的核心就是数据库建模，该子 系统严格按照各种海洋监测规范、标准要求的数据格式设计、实施，并建立了 一个集成、稳定、开放、可共享和可扩展的海洋环境资料数据仓库。整个数据 6 山东大学硕士学位论文 管理子系统的基本业务流程如图2 - 5 所示： 圆圆团圆 图2 5 数据管理子系统基本业务流程 数据管理子系统从监测子系统获取实时海洋环境监测数据，然后完成监测 数据的数码转换、质量控制、数据分类等标准化、规范化处理，形成相互关联 的时空数据集，并建立实时、延时和相关主题数据库，在此基础上构建海洋环 境资料数据仓库，为模型分析子系统和数据产品子系统提供强大的数据支撑。 大量信息技术的引入，使海洋环境资料数据的获取能力大幅提高，数据量 急剧增大。同时，海洋信息产品日益多元化，对数据处理分析能力的要求也日 渐增长。传统的数据库技术越来越无法满足海洋信息领域对数据处理的要求， 而数据仓库作为一种针对海量、复杂数据进行管理和分析的技术，并不是一种 全新的技术，而是传统数据库技术的延伸和扩展。因此，建立数据仓库，既能 充分利用现有的数据库，又能满足海洋信息领域数据管理的长期需求。 海洋环境资料数据仓库是在系统掌握海洋资料特性和基础数据库应用的目 的及需求的基础上，严格按照海洋监测数据规范设计、实施的。除了海洋环境 在线监测及灾害智能预警系统设的需要，还提供了标准的数据接口，使其他系 统可以通过数据接口访问、操作海洋环境资料数据仓库并进行系统间的数据交 互。 2 2 3 模型分析子系统 模型分析子系统功能是针对海洋灾害如赤潮进行建模分析并对其发生状况 进行预测。赤潮现象是混沌的，其数学模型的建立相当复杂。鉴于有赤潮与诸 山东大学硕士学位论文 多海洋要素( 水文、气象、化学、生物) 之间复杂的相关性，模型分析子系统 使用数据管理子系统提供的和赤潮相关的海洋环境要素监测数据资料，利用先 进的数据挖掘算法( 聚类分析、支持向量机等) 建立赤潮预报模型，实现藻类 密度的在线预报和报警，对有害藻华发生的征兆、发生的时间及发生的原因做 出分析，为涉海管理部门的减灾、防灾决策提供可靠的、科学的依据。 2 2 4 数据产品子系统 数据产品子系统是以数据管理子系统和模型分析子系统处理后的海洋环境 要素监测数据或分析结果为基础，完成海洋环境要素监测数据的管理、查询、 分析、处理及显示，实现相关信息产品的制作与管理、数据共享与信息服务的 系统。同时，数据产品子系统也是通过数据通信网络实现对其它子系统的统一 管理、控制和调度的系统。本质上，数据产品子系统是最终实现用户与数据交 互的系统。 2 3 小结 本章以当今先进的计算机技术、网络技术、控制理论与技术，以及嵌入式 系统等为背景，结合国内外有海洋监测技术的研究成果及最新发展趋势，提出 了海洋环境在线监测及灾害智能预警分析系统的总体架构，并分别对集成架构 的系统组成结构、系统集成协议和系统功能设计进行了分析和阐述，为实现海 洋环境要素的实时、延时、历史数据的采集、处理、分析、管理和数据通信网 络、数据库、有害藻华预报模型、信息产品开发、数据资源共享与信息服务等 功能模块的集成，构造网络化、分布化、智能化、综合化的海洋环境在线监测 及灾害智能预警分析系统奠定了基础。 8 山东大学硕士学位论文 第三章海洋环境在线监测系统技术路线及架构设计 海洋监测技术自2 0 世纪八九十年代开始取得了重大的进展，随着计算机技 术，网络及无线传输技术以及传感器技术的成熟并应用于海洋监测领域，各种 海洋监测仪器或系统汇集多种尖端科技，使得海洋监测向实时、密集，立体、 长期、系统的方向发展。世界上各海洋国家都十分注重发展海洋监测技术，取 得了大量先进的技术成果。 本文所设计的海洋环境在线监测系统由监测要素传感器、海洋浮标和海岸 台站等设备构成分布式海洋环境监测网络，对大面积的近海海况的水文，气象、 化学、生物等各类要素进行实时在线监测，为上层的数据管理分析子系统和数 据产品子系统以实时或延时的方式提供实测数据。本系统的设计方案引入了先 进的嵌入式计算软硬件技术、无线网络传输技术以及工业计算机监控领域内的 标准数据访问协议，使得系统具有高度的自动化，极大的灵活性及开放性。与 传统的人工监测系统和半自动监测系统相比，基于嵌入式技术的海洋环境在线 监测系统无论在数据采集的精确性还是数据传输的实时性，可靠性都有极大的 提高。 3 1 海洋环境监测与计算机监控 1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机诞生不久，它就被投入到监控应用中。1 9 5 5 年美国首先研究了用于军事上测试项目的计算机监控系统。5 0 年代中期有人开 始研究将计算机用于工业控制。1 9 5 9 年，世界上第一套工业过程计算机监控系 统在美国德州的一个炼油场正式投运耵。由于这种系统的性能优良、使用方便， 从它问世以后即获得迅速的发展，几乎覆盖了数据自动检测、采集、处理和自 动控制系统。半个世纪以来，伴随着数据通信和计算机软硬件技术的发展，工 业计算机监控系统也逐渐更新演变成熟，其发展历程如图3 - 1 所示。 在不同领域的应用中，要根据具体环境和应用的需求选取合适的监控系统。 在某些情况下，需要结合两种或多种监控系统的。虽然计算机监控系统的组成 和结构多种多样，但通常来说一个完善的监控系统应具有以下功能： 1 自动运行：能按预先设计好的程序自动运行某应用目标工程系统。如有 9 山东大学硕士学位论文 特殊要求，操作人员可以改变程序或设定，按新的程序运行。 图3 - 1 计算机监控系统的发展历史 2 自动控制：对监视对象实时或分时控制。 3 数据自动采集处理：自动对监测对象进行数据采集、监视；对测量的数 据进行预处理，如误差修正、工程单位换算等。 4 自动报警：监控系统本身故障诊断、报警；对监测对象的状态进行监视， 如超过了设计规定值或状态变化，能自动报警。 5 自动校正：按预先给定的标准进行自动校正，以消除某种干扰带来的影 响。 6 具有事件顺序记录功能和事故追踪的功能。 当今，计算机监控系统的应用范围已经不局限于军事，工业等领域，在我 们日常生活的许多方面也得到广泛应用。目前的计算机监控系统的含义是比较 广泛的，即指具有数据采集、监视、控制功能的计算机系统。因此海洋环境在 线监测系统也属于计算机监控系统的范畴，它是计算机监控系统在海洋监测领 域内的应用。 本文所设计的海洋环境在线监测系统从通讯方式来看属于基于以太网 i n t e m e t 监控系统。与现场总线相比，以太网标准更具开放性和普及性。以太网 结构简单，经济实用，且经过多年的发展，目前i n t e m e t 上8 0 的通讯流量发自 以太局域网，可以说以太网是组成i n t e m e t 的基础网络。随着嵌入式软硬件技术 的发展，越来越多的终端设备配有网络接口和t c p m 协议栈，可以方便的通过 以太网接入i n t e m e q ，借助覆盖全球的i n t e m e t ，数据可以突破空间限制送达任意 山东大学硕士学位论文 角落1 5 1 6 1 。 3 2 海洋环境监测系统通讯解决方案 1 海洋监测环境的特殊性 计算机监控系统即指具有数据采集、监视、控制功能的计算机系统。由其 定义可以看出，计算机监控系统同样适用于海洋环境监测。因为海洋环境监测 中采集海洋环境参数与工业监控中采集各种生产参数从本质上讲是相同的。海 洋环境监测系统与工业生产监控系统的差异在于计算机控制系统应用的环境不 同。下面结合工业现场环境对海洋环境的特殊性进行分析，并提出合适的解决 方案。 在工业生产现场，监控系统通常通过有线方式( 各种现场总线或者局域网 络) 将地理位置上分布的监控主机相连。海洋环境监测系统中，由于水文要素， 化学要素以及藻类密度这些监测值应从海水中直接获取，因此监测设备( 如浮 标，灯塔站) 要工作于海水环境中，同时海洋台站作为监测设备之一通常位于 海岸上。为了提高监测结果的科学性和准确度，海洋监测系统的监测覆盖面积 应尽可能的大，因此监测点彼此间的距离单位是以公里来衡量。要将海洋中间 隔距离很大的浮标以及将浮标和位于岸边的台站以有线的方式相连显然很不实 际。可以看出，工业监控系统中通常采用的有线连接方式无法满足海洋监测环 境的需要。 2 通讯方式的选择 在传统的分布式海洋监测系统中，v h f ( v e r yh i g hf r e q u e n c y ) 超短波频 道通常被近海浮标或台站用来与陆上的数据中心进行通讯。然而这种无线方式 的传输距离较短，通讯方式单一且只能实现点到点的传输，仍无法满足建立先 进分布式海洋监控系统的大监控面积，高系统集成度，高灵活性等方面的需求。 因此必须选取一种更为合适的无线通讯方式。 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 数字移动通讯系统是一 种以无线方式进行数据通讯的蜂窝网络系统，于上世纪9 0 年代初在欧洲投入正 式运营，主要提供无线语音业务。目前，g s m 系统已经非常成熟完善，在全球 有近二十亿的用户。在g s m 系统商用后不久，我国就引入了这一先进的数字移 动通讯系统。经过十多年的发展，g s m 网络在我国已经十分普及，移动用户数 也接近四亿。随着互联网技术发展和移动终端技术功能的扩展以及市场的需要， l l 山东大学硕士学位论文 电信运营商的业务中心已经逐渐由单纯的语音业务向数据业务转移，成为语音 数据综合业务运营商。我国现有的g s m 移动网络属于2 5 代，除了主要承载语 音业务外，还支持g p r s ( g e n e r a lr a d i op a c k e ts y e r v i c e ) ，即通用无线分组业 务，该业务借助g s m 网络以无线的方式进行分组网络数据的传输，通过g p r s 技术的支持，g s m 无线网络可以实现与基于分组交换的网络的无缝连接，只要 移动设备支持g 科璐功能就可以随时随地访问i n t e m e t 资源。g p r s 的数据通信 架构如图3 - 2 所示。 j ：f 磋 - 1 - ， - 一 j 毽 移獬 r o l l i 图3 - 2 g p r s 通信架构图 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的。在现有的g s m 网络中需要增 加一些节点，如g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n g n o d e ，网关g p r s 支持节点) 和s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，服务g p r s 支持节点) 。s g s n 的主要 作用是记录移动设备的当前位置信息，并且在移动设备和g g s n 之间完成移动 分组数据的发送和接收。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据 网络连接，g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数 据包传送到远端的t c p i p ，a t m 或x ，2 5 网络1 ”町。 g p r s 提供的数据业务适用于不连续的突发数据传送，间隔时间较短( 每分 钟) 的周期性小数据量( l k b ) 传送，间隔时间较长( 1 0 分钟以上) 的周期性大 量数据( 1 0 k b ) 。由此可见，g p r s 非常适合于非连续的突发性的数据传输， 但由于无线信道带宽的限制，g p r s 不支持大数据量的高速传输。g p r s 可以支 持点对点( p t p ) 和点对多点( p t m ) 数据业务，这两种业务既可以采用无连接的 山东大学硕士学位论文 方式可以使用面向连接通讯方式0 9 - 2 0 1 。 综上所述可以看出，g s m g p r s 跟早期的v h f 无线通讯方式相比，不但具 备更远的传输距离，而且g p r s 业务可以提供灵活多变的连接方式。这两个特 点非常满足分布式海洋监测系统的通讯需要，因此本系统采用g s m g p r s 无线 传输作为通讯方式。 3 g s m 模块及a t 命令 为了使用g s m 网络进行通讯，首先应具备g s m 模块即g s m 调制解调器 ( g s m m o d e m ) 。g s m m o d e m 与普通的有线m o d e m 在功能上是完全一样的， 唯一的区别是g s mm o d e m 将设备接入g s m 无线网络，以无线电波代替有线介 质来传送计算机的数据信号。g s mm o d e m 在g p r s 技术的支持下，可以使得 移动设备随时随地访问i n t e r n e t 资源。 t 命令集最初由h a y e s 公司推出的用于控制m o d e m 运作机制的指令集， 目前已成为几乎所有m o d e m 厂商共同支持的标准。a t 是a t t e n t i o n 的缩写，因 此被称为a t 命令集，a t 命令都由“a t + ”前缀开始。a t 命令集包括7 0 多个控 制指令，可分为：一般命令，呼叫控制命令，网络服务相关命令，电话本命令， 短消息命令及g p r s 命令六类。表3 1 对本系统中用到短消息命令和g p r s 命 令给出简单介绍。 表3 - 1 常用短消息和g p r s 命令 命令类别命令 功能描述 矗剞：m 镪 设置短消息格式 短消息命令a ：r - h ：m ( 搭 发送短消息 a t _ 吒m g r 读取短消息 舡1 c m g d 删除短消息 a 升c g d c o n t 定义移动场景 妪书孓赆忑赋t建立t c p 或u d p 连接 a t + c 口s e n d发送数据 g p r s 命令a r + c c l o s e 关闭本次连接 a ：r + c 口s h u t 关闭移动场景 p d + c ip o b l 设置本地端口 盯+ c i p s t a = 几t s 查询移动场景状态 山东大学硕士学位论文 目前的移动通讯运营商都默认开通短消息业务，对于连接有g s m 模块的海 洋监测设备，人们可以用手机短消息的方式对其进行远程控制，这种方式增强 了系统管理的灵活性。g p r s 业务不是移动运营商的默认开通的业务，因此在 利用g s m 模块进行网络连接之前，首先应该向当地移动运营商申请开通g p r s 业务，之后可以用表3 1 中的g p r s 相关a t 命令进行网络通讯，传输网络数据。 3 3 海洋环境在线监测系统架构 3 3 1 监测设备层次架构 海洋环境监测不同于工业生产环境的监测，为了保证监测结果的科学性准 确性，通常需要对大面积海域进行多点监测，且监测要素及监测点数量大，且 分布广。依据系统中各个设备的功能特点，分为三级架构，见图3 3 。 图3 3 海洋监测系统设备层次架构 图中共有三类设备，最底层为直接获取海洋环境参数的传感器、监测仪表， 探测器等。中间层设备为海洋浮标，海洋浮标连接管理多个监测设备，通常采 用r s 2 3 2 4 8 5 ，以太网等有线连接。海洋浮标和传感器等监测设备位于海洋环 境中，定时采集各种海洋环境参数，它们构成了数据采集模块。最顶层为海洋 台站设备，它位于近海海岸，以无线( g s m g p r s ) 的方式与多个海洋浮标连 接，监视并控制海洋浮标的工作状态，接收海洋浮标定时传来的监测数据。海 洋台站设备上装有嵌入式数据库，可以集成管理大量的海洋监测数据。海洋台 山东大学硕士学位论文 站对外提供标准的数据接口，即数据监测子系统和数据管理之间的数据接口。 通过该接口，数据管理子系统可以连接多个海洋台站。整个监控子系统内，各 层设备自上向下实现分级管理，这种分布式架构使得各层设备分工明确，使得 系统搭建灵活，维护便利。 3 3 2 监测系子统模块划分 海洋环境在线监测系统从功能上可以近一步划分为数据采集子模块和数据 集成子模块，这是由海洋监测系统的具体需求决定，模块架构图如图3 - 4 所示。 数据采集子模块由海洋浮标和连接其上的要素传感器组成，通过传感器自动完 成海洋环境要素现场监测、采集，并实现数据预处理、暂存和传输的功能。其 基本工作过程是：通过各种基本传感器( 如温度传感器) ，采集海洋中的基本监 测要素变量( 如水温、盐度、浮游生物含量等) ，然后对其进行预处理，并按照 系统内部定义的协议将采集的监测要素数据封装打包，通过数据通信网络( 以 太网或g s m g p r s 等) 将封装好的数据包实时地传输给上层监测台站。 数据采集模块数据集成模块 基 d q ，1 ， 本要 专海o p c 监素 r s 4 8 5海 g p r s 测j 传 卜 洋 用洋舭 “ 厶 标准 要 叫 感 浮 接口 素器 m o d b s标专用协议 口 站 接口 c a n 图3 - 4 监测子系统结构图 数据采集子模块支持r s 2 3 2 4 8 5 总线、以太网( e t h e r n e t ) 和通用分组无 线业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 三种网络通信方式。传感器 和浮标设备之间通过r s 2 3 2 4 8 5 或以太网相连，数据及命令传输基于m o d b u s 协 议。m o d b u s 协议是应用于p i 上或其他控制器上的一种通用语言，通过此协议， 控制器相互之间、控制器通过网络( 如以太网) 和其他设备之间实现串行通信。 该协议已经成为通用工业标准，许多工业设备，包括p l c 、智能仪表、传感器 山东大学硕士学位论文 等都在使用m o d b u s 协议作为他们之间的通讯标准。g p r s 是一种基于g s m 系统 的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接，支持t c p i p 协议 和x 2 5 协议。相对原来g s m 的拨号方式的电路交换数据传送方式，g p r s 是分 组交换技术，具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、