近海海洋底层缺氧现象实时监测系统

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近海海洋底层缺氧现象实时监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种海洋监测系统，特别是一种近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，主要应用于实时、准确地监测近海海洋底层与缺氧现象密切相关水质参数数据等。\n背景技术\n[0002] 海洋底层海水溶解氧含量值≤2mg/L的水体缺氧现象，已成为全球主要的生态与环境问题之一。近海特别是河口区域，大量营养盐和有机质的输入一方面容易引发赤潮，另一方面快速消耗了下底层海水中的溶解氧，其浓度逐渐降低后形成“低氧区”，严重的形成“缺氧区”，又被称为“死亡区”，不但鱼、虾和贝类无法在这些区域存活，就连海草也难以幸存。据联合国环境署统计，从70年代以来，海洋“死亡区”的数量和面积都在扩大，2004年估算全球共有149个“死亡区”，而到了2006年，这个数字已经上升到了200个，两年增加了近30％。为此，环境署于2006年10月19日呼吁全世界沿海国家必须采取措施控制陆源污染，以遏止“死亡区”增多的势头。我国的长江口和珠江口就在新增的名单之列。所以，迫切需要发展针对缺氧现象的有效监测手段，以使我们在了解缺氧现象发生机理的基础上，采取有效防治措施。\n[0003] 海洋浮标监测是现今世界上最有效实时获取数据的测量方式，卫星、无线电、手机等通讯技术的快速发展，建立实时远程海洋监测系统越来越多地成为海洋科学考察的首选方案。但监测数据从海洋表面发送至陆地前，首先需要将数据从水下实时传输至海面，现有的近海实时监测主要集中在海水中上层，对下层特别是底层的实时观测极少涉及，一是因为在常规的浮标监测系统中，一般都采用布放电缆将测量传感器采集的数据从水底传输至水面，在这样的工作方式下，电缆容易发生缠绕、拉拽从而出现损坏，在海洋中是极不安全，也无法长久运行的；二是因为海洋监测系统特别是底层监测系统，其布放、运行及回收成本很高，而且无法获取太阳能，其运行时间受电池容量严重限制。所以迄今为止，不管是国际上还是我国已有的海洋环境监测网，都未能普遍对水体缺氧这一严重的生态与环境现象进行长期连续的有效实时监测。\n[0004] 鉴于现有技术的监测手段和水平，针对近海海洋底层缺氧现象的监测系统，需具备以下特点：(1)使用安全和方便，避免使用电缆进行数据从海底至海面的实时传输；(2)功耗低，一则工作于海底的监测系统不宜体积过大，不然在布放、回收过程都会带来更多风险，所以所带电池容量自然不大，二则系统工作时间尽量长可以减少布放和回收的次数，从而减小风险和成本，这就要求系统的工作功耗尽可能降低；(3)抗干扰性强，缺氧现象涉及海洋物理、化学和生物多个过程，需要携带多种传感器进行数据监测，系统工作仪器较多，须确保各个仪器相互独立工作，避免相互干扰，提高系统工作的可靠性和稳定性；(4)可扩展性好，海洋传感器监测技术发展很快，系统须具有一定的扩展性和兼容性以更好地实现对缺氧现象的监测；(5)数据准确安全，监测数据准确是我们了解、研究缺氧现象的基础条件，而且须确保数据在传输过程中的安全。\n[0005] CN1744143A《一种海洋水域传感器网络监测系统》，公开了一种基于无线数据传输方式的网络监测系统，它主要由计算机、基站和在线监测节点组成，在各自的程序控制协调下，通过无线收发接口互连组成。基站与监测节点之间和监测节点相互之间的互连路径，是通过节点互动的路由发现，实时实现自组织网络的形成。它可实时监测海洋水域的水质、温度、海浪等情况，但它的使用范围局限于海水表层，未涉及海洋水下特别是底层的数据监测和传输。CN101358867A《一种海洋水位实时监测系统》，公开了一种包括海底信号采集部分、海面信号中转部分及岸站控制部分的海洋水位实时监测系统。海底信号采集部分用于采集表征水位的数据，并将该数据发送至海面信号中转部分；海面信号中转部分用于接收表征水位的数据，并将该数据转发至岸站控制部分；岸站控制部分用于接收海面信号中转部分所发送的表征水位的数据，并将存储该数据。该监测系统将海洋底层水位数据通过无线传输及信号中转方式实时发送至岸站的，它在使用安全和数据安全上作了一定的设计，但它只携带一种测量传感器，因此涉及功耗、抗干扰性和可扩展性等方面还有一定距离，难以应用于海洋缺氧现象监测。CN100564152C《一种自持式海洋环境监测系统》公开了一种包括海面浮标、测量平台和锚泊系统的海洋环境监测系统，能进行水体参数的测量，然而，该监测系统监测数据采用自容式存储，需要回收监测系统再读取获的，它没有涉及数据传输技术，从而无法进行实时监测。\n发明内容\n[0006] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种用于对海洋底层缺氧现象进行实时监测，使用安全方便、功耗低、抗干扰性强、可扩展性好、数据准确安全的近海海洋底层缺氧现象实时监测系统。\n[0007] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，其结构特点是：包括水质监测分站、水质监测控制主站、水声通讯与232串口通讯分站和电池包；\n[0008] 所述的水质监测分站包括数字量传感器集成模块和模拟量传感器集成模块，水质监测控制主站包括数据处理器和外扩存储模块，水声通讯与232串口通讯分站包括海底水声通讯机集成模块、海面水声通讯机和232串口通讯模块；\n[0009] 所述的数据处理器通过现场传输总线与数字量传感器集成模块、模拟量传感器集成模块、外扩存储模块、海底水声通讯机集成模块相连接，数据处理器通过232总线与232串口通讯模块相连接，电池包与水质监测控制主站连接；\n[0010] 所述的水质监测控制主站控制水质监测分站和水声通讯与232串口通讯分站的运行，水质监测控制主站对数字量传感器集成模块的数字量传感器和模拟量传感器集成模块的模拟量传感器以顺序扫描的方式进行数据采集，对获取的数据进行校验、融合、存储，并运用自定义的方法对融合后数据进行加密，把加密后的数据包通过现场传输总线发送给水声通讯与232串口通讯分站的海底水声通讯机，海底水声通讯机在水声通讯环境适合数据传输的条件下，把数据包从海底传输至海面水声通讯机；电池包给水质监测分站、水质监测控制主站和水声通讯与232串口通讯分站供电。\n[0011] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的水质监测分站包含四个数字量传感器集成模块和两个模拟量传感器集成模块，其数字量传感器集成模块负责对水质各个参数的采样，模拟量传感器集成模块负责对水质监测分站工作电压和温度信号采集；\n[0012] 所述的四个数字量传感器集成模块分别为海流计传感器集成模块、硝酸盐传感器集成模块、水质仪传感器集成模块和溶解氧传感器集成模块，它们的集成方式相同，分别包括各自的传感器、RS232接口、RS232单路驱动芯片、输入光电耦合器、输出光电耦合器、双路传输总线驱动芯片；所述的海流计传感器、硝酸盐传感器、水质仪传感器和溶解氧传感器各自的232数字信号分别通过各自的RS232接口、RS232单路驱动芯片、输入光电耦合器、输出光电耦合器、双路传输总线驱动芯片与数据处理器的现场传输总线相连；\n[0013] 所述的两个模拟量传感器集成模块包括分站电源电压模拟信号和温度模拟信号集成模块，其中分站电源电压模拟信号集成模块使用电池包分压装置接双路AD转换芯片的第一路通道，温度模拟信号集成模块使用温度传感器接双路AD转换芯片的第二路通道，然后双路AD转换芯片通过现场传输总线同数据处理器集成。\n[0014] 工作模式下，数字量传感器集成模块收到数据处理器的激活命令后，从休眠状态进入工作状态，对水质参数进行采样，采样结束后，水质监测分站等待水质监测控制主站的命令，当收到水质监测控制主站的数据采集命令后，便把采集到的数据发送给水质监测控制主站。当水质监测控制主站对数据进行校验无误之后，进行另外一个数字量传感器集成模块的水质采样，直到所有水质监测分站的数据都采集完毕。当所有的数据采集完毕之后，各个传感器集成模块进入休眠状态，以实现节能目的。\n[0015] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的水质监测控制主站还包括复位监测电路、仿真调试接口、外设电源控制电路和实时时针电路；所述的外设电源控制电路包括三极管和继电器，实时时钟电路包括实时时钟电池和实时时钟晶振电路；\n[0016] 所述的数据处理器的P0.10引脚通过三极管、继电器连接电池包，构成外设电源控制电路；数据处理器的SSE11接上拉电阻到+3.3V，即数据处理器的VDD脚，使现场传输总线工作于主机模式；数据处理器的Vbat脚连接实时时钟电池，对实时时钟进行单独的电池供电，数据处理器的RTXC1脚和RTXC2脚连接实时时钟晶振电路；数据处理器的RST脚连复位监测电路；数据处理器的仿真端口连接仿真调试接口。\n[0017] 水质监测控制主站工作开启时刻的识别通过水质监测控制主站数据处理器内部的实时时钟自动控制，当工作时刻未到达时，水质监测控制主站的数据处理器处于掉电状态，水质监测控制主站的其他外设通过断开继电器通路处于断电状态。当工作时间到达时，实时时钟唤醒掉电状态的数据处理器，数据处理器通过指令接通继电器通路，使整个水质监测控制主站处于工作状态。水质监测控制主站分别跟各个分站进行通讯，对数据进行采集，并把采集到的数据一一进行校验，当校验无误后，对数据进行融合，并把融合后的数据存储在水质监测控制主站的外扩存储模块内。对融合后的数据进行自定义的加密算法，在把加密后的数据包发送给海底水声通讯机之前，水质监测控制主站数据处理器先向海底水声通讯机发送“检测”命令，海底水声通讯机返回检测数据，当数据显示周围水声环境有利于数据水声传输时，数据处理器将加密后的水质数据发送至海底水声通讯机，海底水声通讯机再将数据传输至海面水声通讯机；如果数据显示周围水声环境不利于数据水声传输时，数据处理器将每隔5分钟命令海底水声通讯机“检测”一次，直到将加密后的水质数据发送至海面水声通讯机或下一工作时刻的来临。另外，当监测的溶解氧值小于等于2mg/l时，监测系统将提高工作频率。加密后的数据包里除了各水质参数值和系统的供电电压、温度外，还有实时时钟值。海面上的海面水声通讯机通过各水质参数，掌握海洋底层水质状况；通过系统供电电压和温度掌握水质监测控制主站的运行状况；通过校验实时时钟的值检测实时时钟有无发生漂移现象，一旦发生漂移，通过海面水声通讯机发送校正指令，传输准确的实时时钟的值给水质监测控制主站。\n[0018] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的海底水声通讯机集成模块包括海底水声通讯机、RS232接口、RS232单路驱动芯片、输入光电耦合器、输出光电耦合器、双路传输总线驱动芯片；\n[0019] 所述的海底水声通讯机集成模块与水质监测控制主站的数据通讯方式采用现场传输总线通讯；所述的海底水声通讯机的232数字信号通过RS232接口、RS232单路驱动芯片、输入光电耦合器、输出光电耦合器、双路传输总线驱动芯片与数据处理器的现场传输总线相连；\n[0020] 所述的水声通讯与232串口通讯分站的海底水声通讯机与海面水声通讯机通过水声通信方式进行数据传输；\n[0021] 所述的水声通讯与232串口通讯分站的232串口通讯模块采用RS232双路驱动芯片，该RS232双路驱动芯片的第一路信号与数据处理器的UARTO串口连接，其232传输总线与DB9母头接口相连，RS232双路驱动芯片的第二路信号与数据处理器的UART1串口连接，其232传输总线与DB9公头接口相连。\n[0022] 海底水声通讯机负责与水质监测控制主站和海面水声通讯机之间的数据发送和接收。海底水声通讯机在没有数据发送和接收的状态下，处于休眠状态。当海底水声通讯机检测到有来自水质监测控制主站的命令或数据时，它从休眠状态进入到激活状态，开始执行相应的命令或进行数据接收和发送。当海面水声通讯站发送数据给海底水声通讯机时，海底水声通讯机同样会从休眠状态进入到激活状态，并把接收到的数据包发送给水质监测控制主站。海底水声通讯机传输的232数字信号经过RS232单路驱动芯片转化为TTL信号后，再经过输入光电耦合器和输出光电耦合器对TTL信号进行隔离，隔离后的TTL信号经过双路传输总线驱动芯片，使TTL信号转化为符合现场传输总线协议的信号，最后所有符合现场传输总线协议的信号由现场传输总线集成至水质监测控制主站，利用现场传输总线的片选功能对海底水声通讯机集成模块进行系统集成，以此实现水声通讯与232串口通讯分站和水质监测控制主站的集成。\n[0023] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的海流计传感器集成模块、硝酸盐传感器集成模块、水质仪传感器集成模块和溶解氧传感器集成模块四个数字量传感器集成模块在供电上相互隔离，采用独立的变压模块单独供电，这四个数字量传感器集成模块的供电方法相同，四个数字量传感器集成模块的变压模块均由数据处理器控制的外设电源控制电路控制通断。\n[0024] 各个数字量传感器集成模块的供电相互隔离，数字量传感器集成模块和水质监测控制主站之间的电源亦是隔离的；提高了监测系统的可靠性，避免各个数字量传感器集成模块间的相互干扰。\n[0025] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的水质监测控制主站的电源模块分为相互独立的模拟电源电路模块和数字电源电路模块，所述的模拟电源电路模块和数字电源电路模块的地通过磁珠连接；分开供电以降低噪声和出错几率。\n[0026] 所述的模拟电源电路模块通过变压芯片为数据处理器片内PLL供电，变压芯片的输入端直接从电池包接口取电，并接旁路电容，输出端接电容、二极管、电感，输出电压为\n3.3V；\n[0027] 所述的数字电源电路模块通过两级变压芯片为数据处理器内核和I/O口以及外设电源控制电路的继电器供电，第一级变压芯片的输入端直接从电池包接口取电，并接旁路电容，其输出端接电容、二极管、电感，给继电器供电，输出电压为5V，该输出再接第二级变压芯片的输入端，第二级变压芯片的输出端给数据处理器内核和I/O口供电，输出电压为3.3V。\n[0028] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的外扩存储模块的3.3V数字电源、双路传输总线驱动芯片的3.3V数字电源、双路AD转换芯片的模拟电源与数据处理器的3.3V数字电源供电方式不同；所述的数据处理器直接从电池包通过变压芯片提供电源；\n外扩存储模块、双路传输总线驱动芯片先经过数据处理器控制的外设电源控制电路的继电器常开触点，再经过单独的变压芯片提供电源；四个数字量传感器集成模块的两片双路传输总线驱动芯片采用统一的变压芯片供电，由数据处理器的I/O口控制通断；外扩存储模块、双路传输总线驱动芯片的数字电源和双路AD转换芯片的模拟电源之间用磁珠进行数模隔离；温度传感器从数据处理器控制的外设电源控制电路的继电器常开触点取电，不经过变压芯片。当数据处理器处于掉电模式时，它切断外扩存储模块、双路传输总线驱动芯片、双路AD转换芯片和温度传感器的电源，以节省电能；当数据处理器处于工作模式时，它接通外扩存储模块、双路传输总线驱动芯片、双路AD转换芯片和温度传感器的电源。\n[0029] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的海底水声通讯机集成模块利用单独的变压模块供电，232串口通讯模块的电源从数字电源电路模块的变压芯片输出端供电，并通过拨码开关的ON和OFF控制电源的通断；所述的海底水声通讯机集成模块的变压模块、海流计传感器集成模块的变压模块、硝酸盐传感器集成模块的变压模块、水质仪传感器集成模块的变压模块和溶解氧传感器集成模块变压模块均采用稳压隔离变压芯片。\n232串口通讯模块用于本发明监测系统被回收至海面上的时候的数据下载，监测系统利用拨码开关控制此232串口通讯模块电源的通断；当系统在海底工作时，断开拨码开关，此时\n232串口通讯模块不工作；当回收至海面上需要通过232串口通讯模块把外扩存储模块的数据下载到电脑或其他终端设备上的时候，接通拨码开关，给232串口通讯模块发送下载指令。在海底不使用232串口通讯模块时，关闭拨码开关，以达到节能的目的。\n[0030] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的四个数字量传感器集成模块之间的信号相互隔离，各个数字量传感器模块和水质监测控制主站的信号亦相互隔离，信号传输时，各自的232数字信号输出后经各自的RS232单路驱动芯片转化为TTL信号后，再由输入光电耦合器和输出光电耦合器对TTL信号进行隔离，然后通过双路传输总线驱动芯片把TTL信号转化为符合现场总线协议的信号，最后所有符合现场总线协议的信号利用现场传输总线的片选功能对四路数字量传感器模块进行系统集成至数据处理器；\n[0031] 所述的海底水声通讯机集成模块和水质监测控制主站之间的信号隔离，海底水声通讯机传输的232数字信号经过RS232单路驱动芯片转化为TTL信号后，再经过输入光电耦合器和输出光电耦合器对TTL信号进行隔离，隔离后的TTL信号经过双路传输总线驱动芯片，使TTL信号转化为符合现场总线协议的信号，利用现场传输总线的片选功能对海底水声通讯机模块进行系统集成。\n[0032] 各个数字量传感器集成模块的信号相互隔离，水质监测控制主站与数字量传感器集成模块、海底水声通讯机集成模块之间的信号亦隔离，提高了监测系统的可靠性，避免各个集成模块间的相互干扰，解决了因某一路集成模块的信号出现问题而影响其他几路集成模块信号的问题。\n[0033] 本发明近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，所述的数据处理器采用LPC2138芯片，外扩存储模块采用SD存储卡，现场传输总线采用SPI传输总线，双路传输总线驱动芯片采用SC16IS762双路SPI传输总线驱动芯片，RS232单路驱动芯片采用MAX221芯片，RS232双路驱动芯片采用MAX232芯片，输入、输出光电耦合器采用4N25光电耦合器，双路AD转换芯片采用AD7705芯片，温度传感器采用LM35芯片，复位监测电路采用CAT809芯片，仿真调试接口采用标准20脚的JTAG仿真调试接口，实时时钟采用数据处理器内部自带的可编程的RTC实时时钟，电池包的电池电压为7.5-12V，外设电源控制电路的三极管采用9013三极管、继电器采用UB2-4.5NU继电器，海底水声通讯机集成模块的变压模块、海流计传感器集成模块的变压模块、硝酸盐传感器集成模块的变压模块和水质仪传感器集成模块的变压模块均采用IB10.805S-1W稳压隔离变压芯片，溶解氧传感器集成模块变压模块采用IB10.805S-2W稳压隔离变压芯片，数字量传感器集成模块的两片双路传输总线驱动芯片采用LM2575-3.3变压芯片供电，模拟电源电路模块采用LM2575-3.3变压芯片，数字电源电路模块采用LM2575-5和G1117两级变压芯片。\n[0034] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：\n[0035] 1、本发明监测系统为近海海洋底层缺氧现象监测提供了一种新的监测方式，在海面水声通讯机借助浮标或船只搭载的基础上，有能力在陆地上准确、实时地获取近海海底与缺氧有关的海水环境条件数据；而且该监测系统与现有技术利用电缆进行数据传输的监测系统相比，利用水声通讯方法的本发明监测系统在使用上更方便和更安全。\n[0036] 2、本发明监测系统加强了在抗干扰性能上的设计，保证了它工作的可靠性和稳定性。该监测系统中各数字量传感器集成模块及海底水声通讯机在供电电路上通过变压模块进行了物理隔离，在信号通路上通过光电隔离模块进行了物理隔离，从而确保它们工作时各自独立，单个仪器出现故障时不会影响其他仪器的工作，避免了相互影响和干扰。\n[0037] 3、本发明监测系统加强了在低功耗性能上的设计。该监测系统数据处理器在不工作时处于掉电模式，功耗几乎为零；其数字量传感器集成模块和模拟量采集模块的电源均由数据处理器通过继电器控制，当数据处理器处于掉电模式时，利用内部程序断开数字量传感器集成模块和模拟量采集模块的电源；232串口通讯模块的电源通过拨码开关控制，当不使用232串口通讯模块时，关闭拨码开关；海底水声通讯机传输数据之前先进行水声条件判断，以避免在水声条件不足的情况下白白消耗电量。\n[0038] 4、本发明监测系统加强了可扩展性能上的设计。该监测系统可以利用SPI传输总线的功能，方便地扩展水质监测分站的监测手段；本发明监测系统中水质监测分站均采用\n232总线通讯方式，扩展的水质监测分站也可以采用485、422等总线通讯方式。\n[0039] 5、本发明监测系统加强了数据采集准确、传输安全性能上的设计。该监测系统在数据测量时进行合理性判断，在采集后进行备份存储和加密处理，在水声传输时进行环境水声条件判断，保证了监测数据的准确性和安全性。\n[0040] 6、本发明监测系统在海洋底层海水出现溶解氧值小于等于2mg/l的缺氧现象时，可以自动把工作频率提高一倍或以上，从而能更快地了解海底海水环境条件的变化，为缺氧现象研究提供更详实的数据；工作频率也可以人为通过海面水声通讯机发送指令进行控制调整。\n附图说明\n[0041] 图1为本发明实施例近海海洋底层缺氧现象实时监测系统结构框图。\n[0042] 图2为图1中实施例的水质监测分站结构框图。\n[0043] 图3为图2中水质监测分站的数字量传感器集成模块供电电路图。\n[0044] 图4为图2中水质监测分站的海流计和硝酸盐传感器集成模块SPI传输总线驱动电路图。\n[0045] 图5为图2中水质监测分站的模拟量信号集成模块电路图。\n[0046] 图6为图1中实施例的水质监测控制主站结构框图。\n[0047] 图7为图6中水质监测控制主站供电电路图。\n[0048] 图8为图6中水质监测控制主站的实时时钟RTC配置电路图。\n[0049] 图9为图6中水质监测控制主站的SD存储卡SPI传输总线驱动电路图。\n[0050] 图10为图1中实施例的水声通讯和232串口通讯分站结构框图。\n[0051] 图11为图10中水声通讯和232串口通讯分站供电电路图。\n[0052] 图12为图10中水声通讯和232串口通讯分站的232串口通讯模块电路图。\n[0053] 图13为图10中水声通讯和232串口通讯分站的水声通讯集成模块电路图。\n[0054] 图14为图1中实施例的外设电源控制电路电路图。\n具体实施方式\n[0055] 下面通过实施例，结合附图对本发明作进一步的阐述。\n[0056] 参见图1，实施例近海海洋底层缺氧现象实时监测系统，包括水质监测分站a、水质监测控制主站b、水声通讯与232串口通讯分站c和电池包d。水质监测分站a包括数字量传感器集成模块和模拟量传感器集成模块，其中，数字量传感器集成模块设置四个，分别为海流计传感器集成模块、硝酸盐传感器集成模块、水质仪传感器集成模块和溶解氧传感器集成模块，它们的集成方式相同；模拟量传感器集成模块设置分站电源电压模拟信号和模块温度模拟信号两个集成模块。其数字量传感器集成模块负责对水质各个参数的采样，模拟量传感器集成模块负责对水质监测分站工作电压和温度信号采集。水质监测控制主站b包括数据处理器1、外扩存储模块23、复位监测电路37、仿真调试接口25、外设电源控制电路和实时时钟电路。水声通讯与232串口通讯分站c包括海底水声通讯机集成模块、海面水声通讯机44和232串口通讯模块。数据处理器1通过现场传输总线38与数字量传感器集成模块、模拟量传感器集成模块、外扩存储模块23、海底水声通讯机集成模块相连接；数据处理器1通过232总线40与232串口通讯模块31的DB9母头接口32、DB9公头接口33相连接；电池包d与水质监测控制主站b连接。\n[0057] 实施例数据处理器1采用LPC2138芯片，现场传输总线38采用SPI传输总线，也可以采用IIC传输总线，双路传输总线驱动芯片采用SC16IS762双路SPI传输总线驱动芯片，外扩存储模块23采用SD存储卡。数字量传感器集成模块通过SC16IS762双路SPI传输总线驱动芯片集成，通过SPI传输总线的方式同水质监测控制主站b通讯。海底水声通讯机26也通过SC16IS762双路SPI传输总线驱动芯片集成，通过SPI传输总线方式同水质监测控制主站b通讯。232串口通讯模块通过232总线方式同水质监测控制主站b通讯，本实施例采用232总线传输，也可以选用422、485总线传输。\n[0058] 水质监测控制主站b控制水质监测分站a和水声通讯与232串口通讯分站c的运行，电池包d负责给水质监测分站a、水质监测控制主站b和水声通讯与232串口通讯分站c供电。水质监测控制主站b对水质监测分站a的数字量和模拟量传感器以顺序扫描的方式进行数据采集，对获取的数据进行校验、融合、存储，并运用自定义的方法对融合后数据进行加密，把加密后的数据包通过232总线40发送给水声通讯与232串口通讯分站c，水声通讯与232串口通讯分站c在水声通讯环境适合数据传输的条件下，把数据包从海底传输至海面。\n[0059] 实施例水质监测分站a结构参见图2～5。\n[0060] 如图2所示，水质监测分站的四个数字量传感器集成模块分别包括各自的传感器、RS232接口、RS232单路驱动芯片、输入光电耦合器、输出光电耦合器、双路传输总线驱动芯片。实施例RS232单路驱动芯片采用MAX221芯片，输入、输出光电耦合器均采用4N25光电耦合器。海流计传感器集成模块的海流计传感器2的232信号接RS232单路驱动芯片H3；RS232单路驱动芯片H3的c1+、c1-、c2+、c2-四个端口外接两个电容，起电压转换作用；RS232单路驱动芯片H3的电源引脚接单独的隔离稳压电源——海流计传感器集成模块的变压模块34a；RS232单路驱动芯片H3的输入信号接4N25光电耦合器HR4，输出信号接另一个4N25光电耦合器HC5，此光电耦合器HC5接上拉电阻至海流计传感器集成模块的变压模块34a；两路经光电耦合器隔离后的信号接双路SPI传输总线驱动芯片HX6的第一路串行口，SPI传输总线驱动芯片HX6的电源接另外一组电源，SPI传输总线驱动芯片HX6的SPI端口通过SPI传输总线连接到LPC2138数据处理器1。硝酸盐传感器集成模块的硝酸盐传感器7的232信号接另一RS232单路驱动芯片X8，RS232单路驱动芯片X8的c1+、c1-、c2+、c2-四个端口外接两个电容，起电压转换作用；RS232单路驱动芯片X8的电源端口接一个单独的隔离稳压电源——硝酸盐传感器集成模块的变压模块34b；RS232单路驱动芯片X8的输入信号接光电耦合器XR9，输出信号接另一个光电耦合器XC10，此光电耦合器XC10接上拉电阻至硝酸盐传感器集成模块的变压模块34b；经过光电耦合器隔离后的信号和海流计传感器2信号接同一片双路SPI传输总线驱动芯片HX6的第二路串行口。水质仪传感器集成模块的水质仪传感器11的232信号接RS232单路驱动芯片S12；RS232单路驱动芯片S12的c1+、c1-、c2+、c2-四个端口外接两个电容，起电压转换作用；RS232单路驱动芯片S12的电源引脚接一个单独的隔离稳压电源——水质仪传感器集成模块的变压模块34c；RS232单路驱动芯片S12的输入信号接光电耦合器SR13，输出信号接另一个光电耦合器SC14，此光电耦合器SC14接上拉电阻至水质仪传感器集成模块的变压模块34c；经过光电耦合器隔离后的信号接入另外一片双路SPI传输总线驱动芯片SR15的第一路串行口，双路SPI传输总线驱动芯片的SPI端口通过SPI传输总线连接到LPC2138数据处理器1。溶解氧传感器集成模块的溶解氧传感器16的232信号接RS232单路驱动芯片R17；RS232单路驱动芯片R17的c1+、c1-、c2+、c2-四个端口外接两个电容，起电压转换作用；RS232单路驱动芯片R17的电源引脚接一个单独的隔离稳压电源——溶解氧传感器集成模块的变压模块34d；RS232单路驱动芯片R17的输入信号接光电耦合器RR18，输出信号接另一个光电耦合器RC19，光电耦合器RC19接上拉电阻至溶解氧传感器集成模块的变压模块34d；经过光电耦合器隔离后的信号接入和水质仪传感器集成模块11同一片双路SPI传输总线驱动芯片SR15的第二路串行口。模拟量传感器集成模块由电池包分压装置20、双路AD转换芯片42和温度传感器43构成分站电源电压模拟信号集成模块和模块温度模拟信号集成模块，实施例双路AD转换芯片42采用AD7705芯片，温度传感器43采用LM35芯片。电源电压先连接电池包分压装置20，再接AD7705双路AD转换芯片42的第一路通道；LM35温度传感器43接AD7705双路AD转换芯片42的第二路通道。\n[0061] 数字量传感器集成模块供电电路如图3所示，数字量传感器集成模块的变压模块\n34属受外设电源控制电路控制的电源电路模块。四个数字量传感器集成模块都单独供电，它们的供电方法相同，四个数字量传感器集成模块的变压模块的电源电路模块均由数据处理器1控制通断。实施例海流计传感器集成模块的变压模块34a、硝酸盐传感器集成模块的变压模块34b和水质仪传感器集成模块的变压模块34c均采用IB10.805S-1W稳压隔离变压芯片，溶解氧传感器集成模块的变压模块34d采用IB10.805S-2W稳压隔离变压芯片，各电源模块的输入脚从继电器22的常开触点取电，由继电器22控制电源的通断。\n[0062] 海流计和硝酸盐传感器集成模块SPI传输总线驱动电路连接如图4所示，四个数字量传感器集成模块之间的信号相互隔离，各个数字量传感器集成模块和水质监测控制主站b的信号亦相互隔离。海流计传感器2的232数字信号经RS232单路驱动芯片H3转化为TTL信号后通过4N25光电耦合器进行信号隔离，隔离后的信号连接到SC16IS762双路SPI传输总线驱动芯片HX6的第一路串行口，SC16IS762通过4线制的SPI传输总线38连接LPC2138数据处理器1的SPI端口。LPC2138数据处理器1工作于SPI主模式下，其SSEL1脚连接上拉电阻R22至+3.3V，即数据处理器1的VDD脚。SC16IS762的CS脚连接LPC2138的P0.16引脚进行片选；SC16IS762的IRQ脚连接LPC2138的EINT2引脚，当SC16IS762内部缓冲区存有有效数据时，通过此引脚的低电平使LPC2138产生中断响应；SC16IS762的RESET脚连LPC2138的RST脚；SC16IS762的SPI引脚接地，使SC16IS762工作于SPI模式下。硝酸盐传感器7的232数字信号经RS232单路驱动芯片X8转化为TTL信号后通过4N25光电耦合器进行信号隔离，隔离后的信号连接SC16IS762双路SPI传输总线驱动芯片HX6的第二路串行口。LPC2138数据处理器1通过SPI总线38发送不同地址的命令，可以进行双通道的数据读取和发送。水质仪传感器集成模块和溶解氧传感器集成模块的SPI传输总线驱动电路连接同于海流计和硝酸盐传感器集成模块。\n[0063] 模拟量信号集成模块电路如图5所示，检测的电源电压从继电器22一端取电，当LPC2138数据处理器1处于工作模式下才进行电压检测。AD7705双路AD转换芯片42的检测电压范围为0～2.5V，而输入电压为10.8V，故采用精密电阻R19和R20进行分压，再把合适的电压输入到AD7705的第一路通道AIN1(+)脚。LM35温度传感器43接AD7705的第二路通道AIN2(+)脚，利用AD7705内部的放大功能把模拟电压值放大到适合AD7705采集的电压值。AD7705的CS引脚接LPC2138的P0.30引脚进行片选；AD7705的DRDY引脚连接LPC2138的EINT2引脚，当采集好模拟电压值时，DRDY引脚的低电平使LPC2138产生中断响应；AD7705的RESET脚连接LPC2138的RST引脚，AD7705的DOUT引脚连接LPC2138的MISO1脚。LPC2138的SCK1引脚接AD7705的SCLK引脚，LPC2138的SSEL1脚接电阻R22后接至+3.3V。\n[0064] 实施例水质监测控制主站b结构参见图6～9。\n[0065] 如图6所示，水质监测控制主站b的外设电源控制电路包括三极管21和继电器\n22，实时时钟电路包括实时时钟电池24和实时时钟晶振电路41。实施例复位监测电路37采用CAT809芯片，仿真调试接口采用标准20脚的JTAG仿真调试接口，实时时钟采用数据处理器1内部自带的可编程的RTC实时时钟，外设电源控制电路的三极管采用9013三极管、继电器采用UB2-4.5NU继电器。LPC2138数据处理器1的P0.31端口接9013三极管21，三极管21再接继电器22控制电源电路；LPC2138数据处理器1的SPI端口通过SPI传输总线38连接到SD存储卡，即外扩存储模块23上；LPC2138数据处理器1的Vbat引脚接外部电池给RTC实时时钟提供电源；LPC2138的JTAG仿真脚接20个引脚的标准JTAG仿真调试接口25；LPC2138的RTXC1引脚和RTXC2引脚接实时时钟晶振电路41，和实时时钟电池24一起构成完整的实时时钟外设电路；LPC2138的RST引脚接以CAT809复位芯片为主的低电平复位监测电路37；LPC2138的模拟电源和数字电源引脚分别由模拟电源模块和数字电源模块分开供电。图中，35为水质监测控制主站的电源模块。\n[0066] 水质监测控制主站b的电源模块35电路如图7所示，水质监测控制主站的电源模块35为不受外设电源控制电路控制的电源电路模块。水质监测控制主站b的电源模块\n35分为模拟电源电路模块35a和数字电源电路模块35b，两者相互独立，模拟电源电路模块\n35a和数字电源电路模块35b的地通过磁珠连接。电池包的电池电压为7.5-12V，模拟电源电路模块35a采用LM2575-3.3变压芯片为数据处理器片内PLL供电，其输入端直接从电池电源接口取电，并接旁路电容C3，输出端接电容C4、二极管D2、电感L2，输出电压为3.3V；\n数字电源电路模块35b采用LM2575-5和G1117两级变压芯片为数据处理器内核和I/O口及控制电源的继电器供电，LM2575-5变压芯片的输入端直接从电池电源端接口取电，并接旁路电容C5，其输出端接电容C6、二极管D3、电感L3，给继电器供电，输出电压为5V，然后再接G1117变压芯片的输入端，G1117的输出端给数据处理器内核和I/O口供电，输出电压为\n3.3V，图中电容C7、C8构成滤波电路。\n[0067] 实时时钟RTC配置如图8所示，LPC2138数据处理器1的Vbat脚外接实时时钟电池24，使系统在断电的情况下，实时时钟仍然工作在计时状态。LPC2138的RTXC1和RTXC2引脚外接标准的实时时钟晶振电路41，LPC2138在掉电模式下时，LPC2138振荡器关闭，实时时钟依靠此实时时钟晶振电路41作为时钟源工作。图中C16和C17为实时时钟晶振电路电容。\n[0068] 外扩存储模块SD存储卡的SPI传输总线驱动电路如图9所示，外扩存储模块23的DO、DI两个端口分别连接上拉电阻R11、R10至LPC2138数据处理器1的VDD脚，即+3.3V，使SD存储卡工作于SPI模式下，SD存储卡23的DO、DI两脚亦分别对应与LPC2138的MISO1、MOSI1引脚连接；SD存储卡23的SPI传输总线采用4线制，连接到LPC2138数据处理器1的SPI端口，即SD存储卡23的CLK脚与LPC2138的SCK1引脚连接；SD存储卡23的CS脚连接LPC2138数据处理器1的P1.16引脚进行片选。数据处理器1的SSEL1引脚接上拉电阻R22至LPC2138数据处理器1的VDD脚，即接+3.3V，使LPC2138数据处理器1工作于SPI主模式下。\n[0069] 水声通讯和232串口通讯分站c结构参见图10～13。\n[0070] 如图10所示，水声通讯与232串口通讯分站c的海底水声通讯机集成模块包括海底水声通讯机26、RS232接口、RS232单路驱动芯片、输入光电耦合器、输出光电耦合器、双路SPI传输总线驱动芯片；232串口通讯模块包括RS232双路驱动芯片31、DB9的母头接口\n32和DB9的公头接口33，实施例RS232双路驱动芯片31采用MAX232芯片。海底水声通讯机26传输的232信号连接RS232单路驱动芯片C27，RS232单路驱动芯片C27的c1+、c1-、c2+、c2-脚外接两个电容，起电压转换作用；RS232单路驱动芯片C27的电源引脚接单独的隔离稳压电源——海底水声通讯机集成模块的变压模块36；RS232单路驱动芯片C27的输入信号接光电耦合器CR28，输出信号接另一个光电耦合器CC29，此光电耦合器CC29接上拉电阻至海底水声通讯机集成模块的变压模块36；经过光电耦合器隔离后的信号接入双路SPI传输总线驱动芯片C30的串行口，双路SPI传输总线驱动芯片C30的SPI端口通过SPI传输总线38连接到LPC2138数据处理器1；LPC2138的UARTO连接双路RS232驱动芯片31的第一个端口，LPC2138的UART1连接双路RS232驱动芯片31的第二个端口，双路RS232驱动芯片31的输出端通过两路标准的232总线40分别接DB9母头接口32和DB9公头接口33。\n海底水声通讯机26与海面水声通讯机44通过水声通信方式进行数据传输。\n[0071] 水声通讯和232串口通讯分站供电电路连接如图11所示，海底水声通讯集成模块采用单独的隔离稳压电源——海底水声通讯机集成模块的变压模块36供电，其变压模块采用IB10.805S-1W稳压隔离变压芯片，电源的输入脚接继电器22的常开触点，由继电器22控制电源的通断。232串口通讯模块31的电源通过拨码开关39，输入端接水质监测控制主站b数字电源5V电源端，通过拨码开关39的ON和OFF方式给232串口通讯模块31供电。\n[0072] 232串口通讯模块电路连接如图12所示，LPC2138的UART0接RS232双路驱动芯片31MAX232的第一个端口，LPC2138的UART1接MAX232的第二个端口，如图所示，LPC2138的TXD0、TXD1、RXD0、RXD1脚分别对应接MAX232的T1IN、T2IN、R1IN、R2IN；电容C19接在MAX232的C1+和C1-之间，电容C18接在MAX232的C2+和C2-之间，MAX232分别接标准\n232总线40的DB9公头接口33和DB9母头接口32，方便进行数据下载和传输。\n[0073] 水声通讯集成模块电路连接如图13所示，海底水声通讯机26的232数字信号经RS232单路驱动芯片C27转化为TTL信号后通过4N25输入、输出光电耦合器CR28、CC29进行信号隔离，隔离后的信号连接到双路SPI传输总线驱动芯片C30SC16IS762的串行口，SC16IS762通过4线制的SPI传输总线连接LPC2138数据处理器1的SPI端口，SSEL1连接上拉电阻R22至LPC2138数据处理器1的VDD脚，即图示接+3.3V，使LPC2138工作于SPI主模式下。SC16IS762的CS脚连接LPC2138的P1.21引脚进行片选；SC16IS762的IRQ脚连接LPC2138的EINT2引脚，当SC16IS762内部缓冲区存有有效数据时，通过此引脚的低电平使LPC2138产生中断响应；SC16IS762的RESET脚连LPC2138的RST脚；SC16IS762的SPI引脚接地，使SC16IS762工作于SPI模式下。\n[0074] 实施例近海海洋底层缺氧现象实时监测系统的外设电源控制电路参见图14，水质监测控制主站b的数据处理器1通过P0.10引脚和限流电阻R25来控制9013三极管21的开启与否。当9013三极管21开启时，利用三极管的电路放大原理，会在UB2-4.5NU继电器\n22的线圈中流过较大的电流，从而产生磁力克服继电器中弹簧的弹力，接通电源电池包d，实现对外设的外部电源控制。图中二极管D8构成继电器22的放电电路。\n[0075] 实施例SD存储卡23的3.3V数字电源、双路SPI传输总线驱动芯片的3.3V数字电源、双路AD转换芯片的模拟电源与数据处理器1的3.3V数字电源供电方式不同；数据处理器1直接从电池包d通过变压模块提供电源；SD存储卡23、双路SPI传输总线驱动芯片C30、HX6和SR15先经过数据处理器1控制的继电器22常开触点，再经过单独的变压模块LM2575-3.3提供电源，由数据处理器1的I/O口控制通断；SD存储卡23、双路SPI传输总线驱动芯片的数字电源和双路AD转换芯片的模拟电源之间用磁珠进行数模隔离；温度传感器43从数据处理器1控制的继电器22常开触点取电，不经过变压模块。\n[0076] 实际使用时，近海海洋底层缺氧现象实时监测系统经耐压、水密处理后布放于监测海域海底，其中只有海面水声通讯机44布放于海表面，一般由浮标或船只作为它的支撑平台。监测系统中数字量传感器集成模块中的海流计传感器2测量海水水流值，硝酸盐传感器7测量海水硝酸盐含量值，水质仪传感器11测量海水水深、温度、电导率、浊度和氧化还原电位值，溶解氧传感器16测量海水溶解氧含量值。本监测系统将近海海洋底层与缺氧现象相关的参数测量数据完整而准确地实时传输至海面。\n[0077] 整个近海海洋底层缺氧现象实时监测系统的工作原理如下：\n[0078] 水质监测控制主站b控制水质监测分站a和水声通讯与232串口通讯分站c的运行，进行以下工作流程：①利用实时时钟RTC对工作时间和休眠时间进行自动检测控制；②控制各数字量和模拟量传感器集成模块的工作，采集、处理监测数据；③控制海底水声通讯模块进行水声通讯条件判断，判断合格情况下把采集数据从海底传输至海面。\n[0079] 按照系统工作流程，设定本实施方案的初始工作频率为一小时一次。水质监测控制主站b利用实时时钟RTC进行计时，实时时钟RTC一直处于计时状态，当设定工作时刻到来时，水质监测控制主站数据处理器1从掉电模式唤醒到工作模式，它首先通过继电器22接通各个模块的电源，然后利用片选选中第一片双路SPI传输总线驱动芯片HX6，通过该芯片第一路串行口与海流计传感器集成模块通讯，采用ASCII格式，发送“BREAK”命令把海流计传感器2从待机状态触发到接收命令状态，再发送“START”命令，使它开始测量数据，测量好之后，海流计传感器2把数据由232总线40输出，数据处理器1通过查询或中断模式从SPI传输总线驱动芯片HX6的第一路串行口数据缓存区读取数据，并判断数据是否合理，数据不合理则使海流计传感器2重新测量，数据合理则发送“OK”命令使海流计传感器2处于待机状态；之后按顺序，数据处理器1通过双路SPI传输总线驱动芯片HX6第二路串行口采集硝酸盐传感器7的测量数据，通过双路SPI传输总线驱动芯片SR15第一路串行口采集水质仪传感器11的测量数据，通过双路SPI传输总线驱动芯片SR15第二路串行口采集溶解氧传感器16的测量数据。接着，数据处理器1利用AD7705双路AD转换芯片42第一路通道通过查询或中断的方式读取模块电压值，然后切换到第二路通道通过查询或中断的方式读取LM35温度传感器43温度值。\n[0080] 监测控制主站b数据处理器1获取了所有仪器测量数据后，检查判断其中的溶解氧值，当它小于等于2mg/l时，重新初始化实时时钟RTC，改变监测系统工作频率至半小时一次，当溶解氧值大于2mg/l时，则维持监测系统工作频率在一小时一次。随后，数据处理器1对获取的所有数据进行格式转换、按序排列，融合组成一个数据包后存储至SD存储卡\n23。\n[0081] 同时，数据处理器1对融合后的数据进行自定义的加密算法，在把加密后的数据包发送给海底水声通讯机26之前，数据处理器1先向海底水声通讯机26发送“检测”命令，海底水声通讯机26返回检测数据，当数据显示周围水声环境有利于数据水声传输时，数据处理器1将加密后的水质数据发送至海底水声通讯机26，它再将数据传输至海面水声通讯机44；如果数据显示周围水声环境不利于数据水声传输时，数据处理器1将每隔5分钟命令海底水声通讯机26“检测”一次，直到将加密后的水质数据发送至海底水声通讯机26或下一工作时刻的来临。数据处理器1完成单次工作后，利用继电器22关闭其他模块的电源，并使自己重新处于掉电状态，利用实时时钟等待下一个工作时刻。\n[0082] 虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。