基于GPRS的波浪浮标数据采集及处理系统的研究

论文摘要

我国是一个濒海大国，拥有18000多千米的大陆海岸线、近300万平方千米的海域、6000多个面积在500平方米以上的岛屿和1000多个可利用的港湾。波浪浮标是对海洋波浪进行长期、实时、定点观测的主要设备,它能够全天候地、连续地监测它所在海域的波高、周期及波向。近海波浪的观测研究对海洋开发、交通运输、国民经济建设、国防建设及海上舰船活动等都起到十分重要的作用。波浪浮标采集到的数据具有连续性好、精确度高的优点，传统波浪浮标系统使用VHF（Very High Frequency）甚高频无线通信技术将其自动采集的波浪数据传输到岸站接收机，岸站接收机接收到数据后进行相关的处理、存储、显示及打印等操作。但是由于VHF无线通信受到天线的增益、高度、发射机输出功率、接收机灵敏度、电磁环境及有无障碍物等各种因素的影响，VHF的通信距离受到限制，即使是国外先进的Waverider波浪骑士波浪浮标的传输距离也只有50千米。因此使用VHF无线通信技术的波浪浮标系统必须架设岸站系统，其相应的高昂的岸站系统架设费用、派人值守的开支、后期的维护及维修费用等导致了其成本的大大提高，而且其恶劣的工况导致了其稳定性及可靠性的下降。本文尝试使用GPRS无线通信技术替代VHF无线通信技术来完成波浪浮标的数据传输，GPRS提供了基于TCP/IP协议的完整的数据传输解决方案，在电力系统、移动办公系统、公安治安系统、污水处理系统等间歇性发起连接、小流量、需要频繁地进行数据传输的应用场合得到了广泛的应用。本文采用SIMCOM公司的SIM300模块作为采集系统的数据收发模块，采用SIM300GPRS模块来进行无线数据传输的方案可以将数据采集系统采集的波浪数据直接传输到GPRS-Internet网络，任何一台连接到公网并获得公网IP（利用ADSL等拨号方式获得的动态公网IP亦可）的上位机便可以接收从采集系统传来的波浪数据，上位机还可以发送控制命令来控制浮标的工作方式，达到远程控制的目的。由此可见本方案不仅为波浪浮标系统节省了成本，而且还提高了整个系统的稳定性和可靠性，这对建设一个稳定可靠的海洋波浪监测网络提供了技术保障。数据采集端选用STC12C5A60S2单片机作为核心处理单元，STC12C5A60S2单片机将完成数据的采集、打包和发送功能；波高倾斜传感器用于波浪波高序列和波向参数的采集，采集到的波高序列和波向参数以模拟电压信号的方式输出；ADC0809是National公司的A/D转换器，它可以将模拟电压信号转换成单片机能够处理的数字信号；数据通信模块采用SIM300，SIM300与单片机通过串口进行连接并通信，单片机通过串口向SIM300发送AT指令来控制SIM300进行数据的收发。上位机数据中心使用Microsoft的Visual C++进行编写，上位机的通信模块使用基于消息的异步套接字进行编写。数据库模块使用VC++的ADO组件进行编写，使用ADO组件可以方便地对数据进行有效组织和管理。采用VC++与MATLAB混合编程的方式来编写上位机数据中心的数据处理模块，在MATLAB环境中将相应的M文件导出为DLL（动态链接库）文件，将导出的DLL文件嵌入到VC++工程中，能够非常简洁地完成数据处理的功能。经测试上位机数据中心软件能够持续稳定地运行，完成接收下位机波浪浮标传输过来的数据并进行相应处理的任务，证明本文采用的方案可行可靠，达到了预期的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 海浪观测的意义及方法
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 3m 多参数波浪浮标
• 1.2.2 加拿大 AXYS 公司波浪浮标
• 1.2.3 Waverider 波浪骑士
• 1.2.4 发展趋势
• 1.3 浮标系统原理
• 1.4 本课题研究的意义
• 1.5 本课题研究内容
• 第二章 GPRS 通用分组无线业务的基本原理
• 2.1 概念
• 2.2 网络结构
• 2.3 TCP/IP 协议栈
• 2.4 IP 地址及端口
• 2.5 套接字
• 2.6 GPRS 的优点
• 2.7 GPRS 的组网技术方案
• 2.8 本章小结
• 第三章 数据采集硬件系统
• 3.1 概述
• 3.2 单片机及其引脚
• 3.2.1 单片机主要特征
• 3.2.2 单片机外部引脚
• 3.3 波高倾斜传感器及其原理
• 3.3.1 波高和周期的测量
• 3.3.2 波向的测量
• 3.4 A/D 转换电路设计
• 3.4.1 ADC0809 的主要技术指标
• 3.4.2 ADC0809 采集电路设计
• 3.5 GPRS 通讯电路设计
• 3.5.1 SIM300 及其外部引脚
• 3.5.2 SIM300 的电源供电
• 3.5.3 启动 SIM300
• 3.5.4 SIM300 的串行接口
• 3.5.5 SIM300 电路设计
• 3.5.6 关闭 SIM300
• 3.6 本章小结
• 第四章 下位机软件设计
• 4.1 概述
• 4.2 下位机软件设计方案
• 4.3 系统启动与初始化模块的设计
• 4.3.1 开定时器及其中断
• 4.3.2 开串口及其中断
• 4.3.3 启动并初始化 SIM300
• 4.4 数据采集、打包模块的设计
• 4.4.1 数据采集模块的设计
• 4.4.2 数据打包模块的设计
• 4.5 数据发送模块的设计
• 4.5.1 AT 指令
• 4.5.2 数据发送的实现
• 4.6 串口中断服务程序模块的设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 上位机数据中心软件设计
• 5.1 界面设计
• 5.1.1 数据中心界面的设计
• 5.1.2 下位机仿真终端的设计
• 5.2 通信模块的设计
• 5.2.1 创建并初始化套接字
• 5.2.2 数据接收模块的设计
• 5.2.3 控制命令发送模块的设计
• 5.2.4 卸载套接字库
• 5.3 数据库模块
• 5.4 数据处理模块
• 5.4.1 数据预处理
• 5.4.2 波浪特征值的统计
• 5.4.3 谱分析
• 5.4.4 VC++与 MATLAB 混合编程
• 5.4.5 Visual C++中调用 MATLAB 编译的 DLL 文件
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果
• 附录A 部分下位机硬件电路
• 附录B 串口驱动程序
• 附录C 其它常用 AT 指令
• 附录D 功率谱分析实例所使用的波高数据
• 参考文献