基于水下接驳盒的深海海底观测网络设计
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令 ，帧数据 ，Ｃ Ｃ冗余校验码和 帧结束符 。 Ｒ
４ 深海海底观测网络系统软件设计
如图 ３所示，基站监控软件 的主要功能是实现海底观测 传感器 的数据采集 、处理和存储 ，同时还要完成各种控制指
令 的下 发 。基 站监控 软件 采 用了基于 面 向 Ｔ ＰＩ 协议 的 Ｃ／ Ｐ
Ｓ ｃ ｅ 通信机制的 ＣＳ结构 ， ｏｋ ｔ ／ 结合 Ｓ ｅｖｒ ０ ０商用数据 ＱＬＳ ｒｅ ２ ０ 库 ，采用 Ｖ ｓａ ｃ ＋ ｉ ｌ ＋ 编写。在深海海底观测 网络 中，应用层 ｕ 自定义协议 帧可 用来实现对水下接驳盒 所采集 的多个海 底观 测传 感器 数据 的二次封装 ，把各 种零散、无序 的原 始数据信
各 传 Ｉ数 帧 Ｉ ｌ 观 感 Ｎ据 Ｉ Ｔ 测 器 组 采 集
向基站监控工作站发送 自定义协议帧数据
靠地工作在深 海海底 的特殊 高压 环境 下，并实现对各种 海底
现了对基站传输 来的高压直流 电能 的转换 ，得到适合各种海
底观测传感器使 用的低压直流 电能 。
图 ２ 水下按驳盒节点的硬件结构
水下接驳盒采 用超低功耗 ＭＳ ４ ０ ｌ９单片机作为 电能 Ｐ ３ Ｆ ４
处理 。 自定义通信协议规定基站监控 中心作为客户机 ，水下 接驳盒节点作为服务器 ，在基站上位机 中实现 了轮询机制 。
类型（Ｔ Ｃ Ｄ温盐深剖面仪 、 ＤＣ Ａ Ｐ洋流仪、 度仪和荧光计等） 浊 ， 用来实现海洋动力参数 、理化参数和光学参数的采集监测。
３ 深海海底观测网络系统硬件设计
３１ 基 站监 控中心子 系统 ． 基站监控 中心 的主要硬件设备包括监控工作站、数据库
服务器、Ｇ Ｓ卫 星天文钟 、１０ ａｅ Ｆ 光以太 网交换机、 Ｐ ０ Ｂ ｓ Ｘ
息以统一 的报文格式 ， 传送给基站监控 中心作进一步 的分析、
帧度 长
帧令 觜 … 命
图 ４ 应用层 自定义协议帧结构
嚣
水下接驳盒节点 的下位机软件 用于实现各种海底观测传 感器 的数据采集和继 电器 的开关控制等功能。图 ５是水下接
驳盒节点 的主程序流程 。
第 ３ ７卷
第 １ ８期
开始
卢汉 良， 李德骏 ， 灿军 ， ： 杨 等 基于水下接驳盒 的深海海 底观测 网络设 计
２ １
初始化ｓ ｃｅ对象 ｏｋ ｔ 启动接驳盒 网络监 听进程
等待基站监控工作站连接
Ｎ
＝堡 塑 兰 苎 竺 塑二 二
接收基站监控工作站 下发的 自定义协议帧
图 ６ 联调实验 中采集 翻的温度数据界面圜
作 电流和温度 等信号 的采集和监测 。 ＭＳ ４ ０ １９单片机还能够接收基站监控中心的控制指 Ｐ ３Ｆ４ 令 ，并通过控制机械继 电器 的开关 ，实现对各 个海底观 测传 感器的供 电控制。
３ 海 底观测传摩器子 系统 ． ３
深海海底观测 网络通过各种 专用的海 底观 测传感器 ，实
３ 水下接驳盒子系统 ． ２ 水下接 驳盒 节点 的硬件结构如 图 ２所示。水 下接驳盒主
要包括 ２个子模块 ： 数据采集监测模块和 电能管理控制模块。
接 驳盒 的嵌 入式工控机 Ｅ ３１２ Ｃ Ｄ Ａ 完成 了各种海底观 Ｃ —６ １ Ｌ Ｎ 测 传感器 的原始数据采集 。Ｄ 一０ １ Ｆ视频服务器实现 了对 Ｓ６ ０ Ｈ
文 钟 完 成 整 个 海 底 观测 网络 系统 的精 确 时 间 同步 。 １ Ｖ 高 ０ｋ
水 下摄像机 图像信息 的采集和传输 。 Ｉ Ｎ ２０ —Ｓ光以太 网 Ｋ Ｅ ０ ０２
交 换 机 用 于 实 现 和 基 站 监 控 中 心 的 光 网络 物 理 连 接 。 ＤＣ１ Ｖ ４ ０Ｖ转换模块 和 ＤＣ ０ ／４１／ Ｖ转换模块实 ０ｋ ／０ ４ ０Ｖ ２１２５
计
算
机
工
பைடு நூலகம்
程
２ １ 年 ９月 ２ ０１ ０日
海底观测传感器一 般分 为物理 的、化学的和生化的 ３ 种
压直 流输变 电设备先把 ＡＣ３０Ｖ市 电转换 为 Ｄ ０ Ｖ高压 ８ Ｃ １ ｋ 直 流电 ，再把 ＤＣ １ Ｖ高压直流 电通 过海 底电缆传输至水 ０ｋ
下接驳盒 。
现对复杂海底环境参数的测量。本文主要选用了 以下 ３种海 底观测仪器设备 ：Ｄａ ｌｇ ｅ ｔ ｏ ｇｒ海底原 位传感器 ，热 电偶 温度 ａ
传感器和水下摄像 机。
图 ３ 基 站监控软件的功能框 图
如图 ４所示 ，本文所设计 的应用层 自定义协议帧结构主
要包括 ：帧开始符 ，帧长度 ，源站地址 ，目的站地址 ，帧命
管理 控制模 块的主 控制器 。。该单片机具有 ２ ＫＢ Ｒ Ｍ， Ａ ６ Ｂ Ｆ ＡＳ ０ Ｋ Ｌ Ｈ，串口模块 ＵＳ Ｔ ＡＲ ０和 Ｕ Ａ Ｔ１ Ｓ Ｒ ，并配置有
１ ２位 Ａ Ｄ转 换 器 。 ／
海底观测传感器 的工作 电流等信号经过信号调理 电路传 到 ＭＳ ４ ０ １９单片机 的 Ａ Ｄ转换器转换为数字信号 。信号 Ｐ３Ｆ４ ／ 调理部分完成信号的放大、滤波 等，使信 号满足模 数转换 的 要求 ，然后对信号进行 Ａ Ｄ转换 ，实现了海底观测 传感器工 ／
６ 结束语
本文提 出了一种基于水 下接驳盒 的深海海底观测 网络系
ｒ— —————一
＜运蜜 ＞
ｌ Ｙ
统 ，设计 了系统的总体 结构 及其 软硬件模 块。所研制 的水下
接驳盒作 为深海海 底观测 网络的关键 水下监控 节点 ，能够可
：二 至 ＝ — 霜 ＝ 至 二＝；二 二垂至＝ ： ＿ 羹 ——
１０ ａｅＴ 网络交换机和 １ Ｖ高压直流输变 电设备等 。 ０ Ｂ ｓ Ｘ ０ｋ 监控工作站通 过 １０ ａｅ Ｆ 光 以太 网交换机 ，采用海 ０ Ｂ ｓ Ｘ 底光缆连接水下接驳盒 ，并与水下接驳盒的主控模块通信 ， 实现 了对各种海底观测传感器原始数据信息 的实时采集 。数
据库服务器对各种分析 处理 后的数据进行存储 。Ｇ Ｓ卫星天 Ｐ
４ 深海海底观测网络系统软件设计
如图 ３所示，基站监控软件 的主要功能是实现海底观测 传感器 的数据采集 、处理和存储 ，同时还要完成各种控制指
令 的下 发 。基 站监控 软件 采 用了基于 面 向 Ｔ ＰＩ 协议 的 Ｃ／ Ｐ
Ｓ ｃ ｅ 通信机制的 ＣＳ结构 ， ｏｋ ｔ ／ 结合 Ｓ ｅｖｒ ０ ０商用数据 ＱＬＳ ｒｅ ２ ０ 库 ，采用 Ｖ ｓａ ｃ ＋ ｉ ｌ ＋ 编写。在深海海底观测 网络 中，应用层 ｕ 自定义协议 帧可 用来实现对水下接驳盒 所采集 的多个海 底观 测传 感器 数据 的二次封装 ，把各 种零散、无序 的原 始数据信
各 传 Ｉ数 帧 Ｉ ｌ 观 感 Ｎ据 Ｉ Ｔ 测 器 组 采 集
向基站监控工作站发送 自定义协议帧数据
靠地工作在深 海海底 的特殊 高压 环境 下，并实现对各种 海底
现了对基站传输 来的高压直流 电能 的转换 ，得到适合各种海
底观测传感器使 用的低压直流 电能 。
图 ２ 水下按驳盒节点的硬件结构
水下接驳盒采 用超低功耗 ＭＳ ４ ０ ｌ９单片机作为 电能 Ｐ ３ Ｆ ４
处理 。 自定义通信协议规定基站监控 中心作为客户机 ，水下 接驳盒节点作为服务器 ，在基站上位机 中实现 了轮询机制 。
类型（Ｔ Ｃ Ｄ温盐深剖面仪 、 ＤＣ Ａ Ｐ洋流仪、 度仪和荧光计等） 浊 ， 用来实现海洋动力参数 、理化参数和光学参数的采集监测。
３ 深海海底观测网络系统硬件设计
３１ 基 站监 控中心子 系统 ． 基站监控 中心 的主要硬件设备包括监控工作站、数据库
服务器、Ｇ Ｓ卫 星天文钟 、１０ ａｅ Ｆ 光以太 网交换机、 Ｐ ０ Ｂ ｓ Ｘ
息以统一 的报文格式 ， 传送给基站监控 中心作进一步 的分析、
帧度 长
帧令 觜 … 命
图 ４ 应用层 自定义协议帧结构
嚣
水下接驳盒节点 的下位机软件 用于实现各种海底观测传 感器 的数据采集和继 电器 的开关控制等功能。图 ５是水下接
驳盒节点 的主程序流程 。
第 ３ ７卷
第 １ ８期
开始
卢汉 良， 李德骏 ， 灿军 ， ： 杨 等 基于水下接驳盒 的深海海 底观测 网络设 计
２ １
初始化ｓ ｃｅ对象 ｏｋ ｔ 启动接驳盒 网络监 听进程
等待基站监控工作站连接
Ｎ
＝堡 塑 兰 苎 竺 塑二 二
接收基站监控工作站 下发的 自定义协议帧
图 ６ 联调实验 中采集 翻的温度数据界面圜
作 电流和温度 等信号 的采集和监测 。 ＭＳ ４ ０ １９单片机还能够接收基站监控中心的控制指 Ｐ ３Ｆ４ 令 ，并通过控制机械继 电器 的开关 ，实现对各 个海底观 测传 感器的供 电控制。
３ 海 底观测传摩器子 系统 ． ３
深海海底观测 网络通过各种 专用的海 底观 测传感器 ，实
３ 水下接驳盒子系统 ． ２ 水下接 驳盒 节点 的硬件结构如 图 ２所示。水 下接驳盒主
要包括 ２个子模块 ： 数据采集监测模块和 电能管理控制模块。
接 驳盒 的嵌 入式工控机 Ｅ ３１２ Ｃ Ｄ Ａ 完成 了各种海底观 Ｃ —６ １ Ｌ Ｎ 测 传感器 的原始数据采集 。Ｄ 一０ １ Ｆ视频服务器实现 了对 Ｓ６ ０ Ｈ
文 钟 完 成 整 个 海 底 观测 网络 系统 的精 确 时 间 同步 。 １ Ｖ 高 ０ｋ
水 下摄像机 图像信息 的采集和传输 。 Ｉ Ｎ ２０ —Ｓ光以太 网 Ｋ Ｅ ０ ０２
交 换 机 用 于 实 现 和 基 站 监 控 中 心 的 光 网络 物 理 连 接 。 ＤＣ１ Ｖ ４ ０Ｖ转换模块 和 ＤＣ ０ ／４１／ Ｖ转换模块实 ０ｋ ／０ ４ ０Ｖ ２１２５
计
算
机
工
பைடு நூலகம்
程
２ １ 年 ９月 ２ ０１ ０日
海底观测传感器一 般分 为物理 的、化学的和生化的 ３ 种
压直 流输变 电设备先把 ＡＣ３０Ｖ市 电转换 为 Ｄ ０ Ｖ高压 ８ Ｃ １ ｋ 直 流电 ，再把 ＤＣ １ Ｖ高压直流 电通 过海 底电缆传输至水 ０ｋ
下接驳盒 。
现对复杂海底环境参数的测量。本文主要选用了 以下 ３种海 底观测仪器设备 ：Ｄａ ｌｇ ｅ ｔ ｏ ｇｒ海底原 位传感器 ，热 电偶 温度 ａ
传感器和水下摄像 机。
图 ３ 基 站监控软件的功能框 图
如图 ４所示 ，本文所设计 的应用层 自定义协议帧结构主
要包括 ：帧开始符 ，帧长度 ，源站地址 ，目的站地址 ，帧命
管理 控制模 块的主 控制器 。。该单片机具有 ２ ＫＢ Ｒ Ｍ， Ａ ６ Ｂ Ｆ ＡＳ ０ Ｋ Ｌ Ｈ，串口模块 ＵＳ Ｔ ＡＲ ０和 Ｕ Ａ Ｔ１ Ｓ Ｒ ，并配置有
１ ２位 Ａ Ｄ转 换 器 。 ／
海底观测传感器 的工作 电流等信号经过信号调理 电路传 到 ＭＳ ４ ０ １９单片机 的 Ａ Ｄ转换器转换为数字信号 。信号 Ｐ３Ｆ４ ／ 调理部分完成信号的放大、滤波 等，使信 号满足模 数转换 的 要求 ，然后对信号进行 Ａ Ｄ转换 ，实现了海底观测 传感器工 ／
６ 结束语
本文提 出了一种基于水 下接驳盒 的深海海底观测 网络系
ｒ— —————一
＜运蜜 ＞
ｌ Ｙ
统 ，设计 了系统的总体 结构 及其 软硬件模 块。所研制 的水下
接驳盒作 为深海海 底观测 网络的关键 水下监控 节点 ，能够可
：二 至 ＝ — 霜 ＝ 至 二＝；二 二垂至＝ ： ＿ 羹 ——
１０ ａｅＴ 网络交换机和 １ Ｖ高压直流输变 电设备等 。 ０ Ｂ ｓ Ｘ ０ｋ 监控工作站通 过 １０ ａｅ Ｆ 光 以太 网交换机 ，采用海 ０ Ｂ ｓ Ｘ 底光缆连接水下接驳盒 ，并与水下接驳盒的主控模块通信 ， 实现 了对各种海底观测传感器原始数据信息 的实时采集 。数
据库服务器对各种分析 处理 后的数据进行存储 。Ｇ Ｓ卫星天 Ｐ