46 | 电子制作 2019年10月
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临枯竭，上世纪90年代以来海洋资源的开发逐渐加速，由于侧重经济利益最大化，海洋环境遭受严重破坏。海洋作为人类最后的宝贵资源，海洋资源的可持续开发与利用逐渐成为世界共识，因此海洋环境监测与保护成为世界各国所关注的重点方向之一。海洋地域辽阔致使海洋环境监测的难度增 高、监测成本倍增，科学合理的海洋环境监测技术成为研究热点之一。近年来，随着物联网技术的高速发展，该技术借
助传感网络实现信息采集，借助因特网实现信息传输，借助人工智能网络完成对信息的分析，从而构 建一种新型的“智慧监测”信息技术。由于海洋环境监测技术研究起步较晚，物联网技术尚未应用于海洋环境监测领域，因此，本文将对物联网技术在海洋环境监测的合理应用暂开研究，借助物联网技术实现海洋环境相关监测信息的采集、数据高效传输和监测服务，从而为海洋资源的可持续开发和海洋环境的监测与管理提供数据支撑和科学依据。 1 海洋环境监测的系统设计
海洋环境监测系统主要包括
数据采集子系统、海洋环境监测终端、信息管理子系统三个部分，如图1所示。数据采集子系统借助无线传感网络实现监测的海洋环境数据采集；监控终端作为数据采集子系统和信息管理子系统的连接桥梁，借助无线网络实现信息转发功能；信息管理子系统主要功能是完成数据的高效存储、数据分析，以及海洋环境状
态的展示。
通过对海洋环境监测系统框
作主要为传感器数据的汇集和组包上传，以及下发指令的广播。监控终端作为监测系统的中间层，由数据中转模块、无线网络通信模块和图像采集模块构成。数据中转模块负责传感器汇集节点的数据收
集，无线网络通信模块负责将收集的监测数据上传至监测中心。监测系统的最上层为监测中心，主要由无线通信模块、工控机、服务器构成，无线通信模块负责接收上传的监测数据和控制指令的下传，工控机主要对监测数据进行预处理，服务器主要负责海洋环境监测数据的存储、分析与发布。
2 数据采集子系统设计
海洋环境数据采集子系统主要是基于无线传感器网络
系统进行设计，无线传感器采用CC2430型号的系统芯片
（SoC）进行设计，依据其功能可将其划分为采集端传感器和汇聚端传感器，采集端传感器负责数据采集、模数转换和数据通信，其结构设计如图2所示，主要由PH 监测传感器、
溶解氧监测传感器、盐度监测传感器和水温监测传感器等数图1 海洋环境监测的系统框架
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信息工程
据采集单元，模数转换单元、中心控制单元（MCU）、无线通信单元和能量供应单元组成。由于汇聚端传感器仅负责数据转发以及传感网络的管理，其结构相对采集端传感器较
简单，主要包含MCU、无线通信单元和能量供应单元。
图2 采集端传感器的结构设计
根据海洋环境监测的实际应用要求，所设计的传感器应
具有防盐雾、耐腐蚀、低能耗、抗冲击等特点，否则传感器的使用寿命将大幅缩减。SoC 中MCU 采用了一颗低功耗、高可靠性、高速的8051控制器，射频部分采用了一个高新能的2.4GHz 射频收发器，实现监测数据和指令的快速收发。传感器作为海洋环境监测的“触角”，需要长时间地进行海洋环境数据的采集与上传，因此传感器的能量供应单元的合理设计是整个环境监测系统的关键设计之一。为了保证传感器长时间稳定工作，能量供应单元结构被设计由供电模块、充电模块和电源管理模块三部分构成，供电模块采用蓄电池为数据采集单元和SoC 提供电能；充电模块采用太阳能电板为蓄电池进行充电；电源管理模块采用电源管理芯片根据蓄电池的电量和太阳能电板的电压对蓄电池进行有效地充电。
3 监控终端设计
海洋环境监测系统的监控终端主要负责数据的收发，其
传感器数据
结构主要包括数据采集单元、3G 通信单元、ZigBee 单元、
蓝牙单元、微波通信单元以及电源管理单元，如图3所示。
各种卧式注塑机射咀
数据采集单元作为监控终端的核心，负责数据的存储于管理和各通信模块的数据收发管理。ZigBee 单元实现监控终端与数据采集子系统之间的数据传输，3G 通信单元实现监控终端与监控中心之间的数据传输，蓝牙单元实现声学多普勒流速仪与监控终端之间的数据传输，微波通信单元实现视频监测设备与监控中心的数据传输。除此之外，数据采集模块通过串口连接温盐深测量仪、风向风速测量仪等测量设备。
4 信息管理子系统设计
海洋环境监测的信息管理子系统主要负责数据采集子
系统和监测终端的控制，以及环境监测数据的存储、分析与发布。根据海洋环境监测的实际需求，所设计的信息管理子
系统需要实现以下功能：
（1）系统应能够实时监测各个海洋监测点的环境要素，并具备存储、快速查询海量数据的功能；
（2）系统应能够根据所采集的海洋监测数据进行科学分析得到所监测区域的海洋环境质量和健康指数；（3）系统应能够根据所采集的海洋监测数据进行科学
预测得到所监测区域的海洋环境质量变化走势和健康指数变化趋势；
（4）系统应能够为控制用户提供友好的操作控制界面，
同时能将海洋环境质量和健康状况直观地展示给普通用户。
通过对信息管理子系统的功能分析可知，该系统满足以上功能需要有GIS 处理单元、系统管理单元、信息管理单元、
海洋环境分析单元、预警单元和数据产品单元。
图4 海洋环境监测的信息管理系统
监控中心通过信息管理系统控制数据采集子系统和监
测终端接收数据，监测数据存储至大型数据库，提取数据进行海洋环境质量分析，将分析结果通过Web 方式以友好的
界面展示海洋环境质量和健康状态。信息管理系统基于面向对象思想进行软件开发，运行模式采用C/S 架构，利用GIS 的Geodatabase 数据模型设计地理信息数据库，借助
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3G 通信模块
数据采集
马凳筋模块
ZigBee 模块
蓝牙模块
交换目录电源管理模块
微波通信模块
图3 监控终端的结构设计
试照如图7所示。
图7 部分游戏关卡画面截图及测试照
测试达到预期目标，完成设计并经验证的功能主要有：
(1)可以利用开发板上的拨码开关进行游戏关卡的转换；
(2)通过标准的USB键盘W（up）、A（left）、S（down）、D（right）进行上、下、左、右的移动。
(3)人物碰到箱子，则人物与箱子一同往前推动一格，且只能向人物移动的方向前进一格，直到推进金币位置，不能再进行移动；
(4)游戏过程中有背景音乐播放及游戏音效配合；
(5)每关游戏开始时从60秒开始倒计时，当玩家在规定时间内没有通关，则游戏结束显示失败界面，当玩家在规
息通信, 2017(12): 125-127.
＊ [4]潭会生, 张昌凡. EDA技术实用教程: Verilog HDL版[M].西安：电子科技大学出版社, 2016.
＊ [5]王建飞, 雷斌. 你好FPGA：一本可以听的入门书[M]. 北京: 电子工业出版社, 2016.
＊ [6]潘文明, 易文兵. 手把手教你学FPGA设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2017.
＊ [7]汤勇明, 张圣清, 陆佳华. 数字电路与逻辑设计（Verilog HDL& Vivado版）[M]. 北京: 清华大学出版社, 2017.
＊ [8]田素云, 徐文波. Xilinx FPGA开发实用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2012.
SDE由SQL Server2009数据库对监测信息进行存储、管理与分析，采用GIS Engine将地图控件直接插入到开发控件中，采用Visual Studio 2010中MFC完成系统界面的可视化，借助ADD快速访问数据库中监测数据，运用MATLAB 2012b设计分析模型和预测模型进行监测数据的分析，采用软件混合编程方式实现了海洋环境监测的信息管理系统，如图4所示。
5 结论
本文针对现阶段海洋环境监测方面存在的问题，提出将物联网技术运用到海洋环境监测中，设计了基于物联网的海洋环境监测系统，深入研究了海洋环境智能监测系统的整体架构、数据采集、数据传输、数据服务等问题。根据海洋环境监测系统的目标，监测系统被设计由数据采集子系统、监测终端和信息管理子系统构成。为了提高监测系统的自动化程度和监测数据传输的实时性，本文通过利用无线传感网络、无线微波通信网络、无线移动通信网络、互联网建立多层次、多模式的数据网络传输模型，实现多种网络间的无缝连接。
分级授权
参考文献
＊ [1]付宗魁，蔡芳萍.海洋环境监测系统方案设计与研究[J].物联网技术,2016,6(4):20-20.
＊ [2]沈伟.物联网技术在环境监测中的应用[J].电脑编程技巧与维护,2016(12):41-42.
＊ [3]孟丽丽.基于B/S和C/S模式的海洋环境监测信息系统开发与研究[J].舰船科学技术,2016(8):82-84.
＊ [4]邹存芝，白娜.基于物联网的农业环境远程监测系统研究[J].电子测试,2017(09):64-65.
（上接第47页）
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