一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法

1.本发明涉及海洋观测浮标领域，具体涉及一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法。


背景技术：

2.浮标，指锚定在指定位置、浮于水面的一种装置。根据其具体功能不同，可区分为导航助航航标（以下简称助航航标）、海洋观测浮标（以下简称观测浮标）。
3.助航航标是指标示航道方向、界限与碍航物的标志，包括过河标、沿岸标、导标、过渡导标、首尾导标、侧面标、左右通航标、示位标、泛滥标和桥涵标等。是帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物与表示警告的人工标志。应遵循gb 12708-1991《航标灯光信号颜色》、gb 15359-2021《中国海区灯船和大型助航浮标制式》、gb 16161-2021《中国海区水上助航标志形状显示规定》、gb 17381-2020《视觉航标表面色规定》、gb 24418-2020《中国海区可航行水域桥梁助航标志》等国家标准。目前，一般由标体以及搭载在标体上的航标灯装置组成，航标灯装置包括太阳能板、蓄电池、led灯、定位模块、通讯模块等，部分还配备有ais收发模块。
4.观测浮标是一种现代化的海洋观测设施，它浮于海面上并锚定在指定位置，用来收集海洋环境资料，并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。应遵循gb/t 14914.2-2019《海洋观测规范 第2部分:海滨观测》、gb/t 14914.3-2021《海洋观测规范 第3部分：浮标潜标观测》以及hy/t 142-2011《大型海洋环境监测浮标》、hy/t 143-2011《小型海洋环境监测浮标》等国家和行业标准。目前，一般由标体以及搭载在标体上的观测仪器组成，观测仪器包括太阳能板、蓄电池、定位模块、通讯模块、海洋水文观测模块（监测对象：潮汐、海浪、海流、海冰、海水温度﹑盐度、深度）、海洋气象观测模块（监测对象：风、气压、气温、相对湿度、降水量、海面有效能见度、云、雾、天气现象）以及海洋其他观测项目（监测对象：海发光、水色、噪声、辐照度﹑海面照度、海面高度等）。已成为海洋观测的最重要基础设施，促进海洋数据获取方式从“考察”向“观测”转变。
5.助航航标和观测浮标，两者组成的共性部分有太阳能板、蓄电池、定位模块、通讯模块；其中，定位模块或gps定位、或北斗定位，通讯模块或4g网络、或北斗短报文。两者都是安装在标体的、集光机电于一体的成套装备，是典型的低功耗、优性能、小型化、高可靠的无人值守型自动化装备。但两者的功能定位不同，一般情况下，助航航标上不会搭载观测浮标上海洋观测设备，但观测浮标为安全计可能会搭载助航航标上的或航标灯、或ais收发模块。
6.漂浮在海上的助航航标和观测浮标，尤其观测浮标搭载了价值不菲的海洋观测设备，为此，文献cn111200548a公开了一种应用于海洋观测浮标rs485总线的485协议集中器，由一个嵌入式微处理器、485芯片、电源开关、ldo电源芯片、232芯片、sdi12、地址拨码开关、4芯接插件芯片、电阻及电阻对网络组成，可与现有大多数成熟的海洋观测智能化设备数据通讯，数据协议解析灵活；文献cn111232132a公开了一种海洋观测浮标的控制系统及其控
制方法，通过rs485总线上的485协议集中器实现与不同接口、不同数据协议的智能化设备数据通讯，具有安装工艺简单、易于扩展、易于维护、通讯稳定等优点；但观测浮标事实上构成影响船舶航行的碍航物，预防碰撞发生保障设施安全是需要重点考虑的问题。文献cn112046683a公开了一种高稳定性的海上浮标，通过设置环绕于仪器舱设置的缓冲圈，使得浮标上搭载的仪器设备可得到有效的防碰撞保护，解决现有技术中海上浮标抗风浪能力较弱、仪器舱缺乏足够保护的问题，从而整体上的稳定性、防护性能都有较大提升。
7.近年来，助航航标采用主动显形示廓技术，有助于自我保护。文献cn109850073a公开了一种浮标夜间显形系统及方法，提高浮标夜间的显形能力，主动显形供船员识别。文献cn305995633s设计一种四叉型航标灯架夜间显形装置，通过显形装置上led光源和浮标灯架上用于显示浮标外形的望板相结合，增加航标夜间轮廓亮化显形面积，增强浮标显形的实际效果。将主动显形示廓技术应用于观测浮标有利于向过往船舶提示其存在，提高其可见性，进而保障安全。然而为实现这一目标，必须需要平衡好观测浮标的显形示廓装置与海洋观测设备功率分配，特别是，如果显形示廓装置能够以较少的能源消耗实现较好的示廓效果，那么显然可以显著提升观测浮标的生存力。


技术实现要素：

8.为达到上述目的，本发明的设计技术方案是：一种海洋观测浮标的主动示廓装置，由嵌入式微处理器、led驱动模块、光照度传感器、led灯带、485总线协议模块、ais接收模块、定位模块组成，其中，嵌入式微处理器分别和led驱动模块、光照度传感器、485总线协议模块、ais接收模块、定位模块相连，led驱动模块和led灯带相连。所述海洋观测浮标的主动示廓装置，可以根据周围ais船舶的距离动态调整led驱动功率和亮灭时长。
9.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置，装置中485总线协议模块连接到观测浮标内部485总线网络；具体地，led灯带固定在支架上，沿观测浮标的外廓布置。
10.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置，获得当前定位数据和时间数据的通道有2个，即485总线协议模块和定位模块，优选485总线协议模块。所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，通过2个通道中任一个通道获得定位数据包后，进行定位数据包解码，获得当前定位数据和时间数据。进一步地，所述的嵌入式微处理器，如果选择通过485总线协议模块获得定位数据包，则控制关闭定位模块，否则就控制打开定位模块。
11.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置，获得ais报文数据包的通道有2个模块，即485总线协议模块和ais接收模块，优选485总线协议模块。所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，通过2个通道中任一个通道获得ais报文数据包后，进行ais报文数据包解码，获得船舶的水上移动通信业务标识码mmsi（maritime mobile service identify）、位置数据和时间数据。进一步地，所述的嵌入式微处理器，如果选择通过485总线协议模块获得ais报文数据包时，则控制关闭ais接收模块，否则就控制打开ais接收模块。
12.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置，控制led灯带闪烁亮或灭的通道有2个，即485总线协议模块和光照度传感器，优选485总线协议模块。所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，如果通过485总线协议模块获得控制led灯带闪烁亮或灭指令，就控制led灯带闪烁亮或灭操作，并控制关闭光照度传感器；否则没有通过485总线协
议模块获得控制led灯带指令，就控制打开光照度传感器，由光照度传感器检测白天黑夜状态，在白天时执行控制led灯带灭操作、在黑夜时执行控制led灯带闪烁亮操作。
13.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，设置有一个定时器timerled_on、一个定时器timerled_off，单位皆为毫秒，中断周期皆可调整。所述嵌入式微处理器，当进入定时器timerled_on中断服务程序，执行步骤如下：关闭定时器timerled_on，控制led驱动功率电路停止输出导致led灯带灭，开启定时器timerled_off。所述嵌入式微处理器，当进入定时器timerled_off中断服务程序，执行步骤如下：关闭定时器timerled_off，控制led驱动功率电路上电输出导致led灯带亮，开启定时器timerled_on。
14.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，当需要控制led灯带灭时，执行步骤如下：控制led驱动功率电路停止输出导致led灯带灭，关闭定时器timerled_off，关闭定时器timerled_on。
15.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，当需要控制led灯带闪烁亮时，执行步骤如下：控制led驱动功率电路上电输出导致led灯带亮，关闭定时器timerled_off，开启定时器timerled_on。
16.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，内部有一个位置时间结构体（nt_xyt），由mmsi码、经度、纬度、时间数据组成，如表1所示，一个mmsi码仅对应保存一条数据记录：表1 位置时间结构体：变量名类型说明mmsi字符型船舶mmsi码，为0表示该条记录为空x浮点型经度y浮点型纬度time整型时间数据。
17.所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，设置有由位置时间结构体（nt_xyt）定义的数据缓冲区myxyt[m]，m的范围：5～500，其中，myxyt[0]保存观测浮标的mmsi码、经度、纬度、时间数据，myxyt[1]～myxyt[m]保存其他船舶的mmsi码、经度、纬度、时间数据，myxyt[1]～myxyt[m]的初始值均为0。
[0018]
所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，有一个定位数据包解码模块，首先检查定位数据包校验是否正确，只有校验正确才执行后续操作，即：按照协议进行解码，获得浮标的当前经度、纬度和时间数据，保存到myxyt[0].x、myxyt[0].y和myxyt[0].time；具体步骤如下：r1：对定位数据包进行校验检查，校验正确执行后续步骤，否则退出本模块；r2：按照协议解码定位数据包，获得当前经度、纬度和时间数据；r3：将获得当前经度保存到myxyt[0].x、纬度保存到myxyt[0].y、时间数据保存myxyt[0].time，myxyt[0].mmsi为设定的固定字符。
[0019]
所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，有一个ais报文数据包解码模块，首先检查ais报文数据包校验是否正确，只有校验正确才执行后续操作，即：按照协议进行解码，从数据包中获得船舶的mmsi码、经度、纬度和时间数据，以或新增插入、
或更新替换方式保存到myxyt[1]～myxyt[m]缓冲区中第x个即myxyt[x]的成员变量mmsi、x、y和time；具体步骤如下：s1：对ais报文数据包进行校验检查，校验正确执行后续步骤，否则退出本模块；s2：设置一个由nt_xyt定义的临时对象tmp，按照协议解码ais报文数据包，获得船舶的mmsi码、经度、纬度和时间数据，分别保存在tmp.mmsi、tmp.x、tmp.y和tmp.time；s3：在myxyt[1]～myxyt[m]成员变量mmsi中检索是否存在myxyt[i].mmsi=tmp.mmsi，如果存在则进行更新替换操作，即将myxyt[i]的数据全部替换为临时对象tmp的数据，然后退出本模块，否则执行后续步骤；s4：在myxyt[1]～myxyt[m]寻找到最小的位置j，满足myxyt[j].mmsi=0，则进行新增插入操作，即将myxyt[j]的数据全部替换为临时对象tmp的数据。
[0020]
所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，每秒定时执行数据合规性判别检查，以数据记录的时间数据与观测浮标的时间数据两者差值为判别依据，遍历检查myxyt[1]～myxyt[m]数据记录的合规性，如果两者差值小于6分钟即360秒，则判定该数据记录合规，保留该数据记录，否则判定该数据记录不合规，删除该数据记录；所述的数据合规性判别检查具体步骤如下：t1：myxyt[i].mmsi不为0（i=1～m），计算deltat，deltat=abs（myxyt[i].time-myxyt[0].time）；t2：如果deltat》360（秒），则myxyt[i].mmsi=0，即删除此数据记录；t3：重复t1步，直到遍历结束。
[0021]
所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，内部存在有一个led配置结构体（nt_ledcfg），由驱动功率因子、亮时长、灭时长组成，如表2所示；其中，ledpower为整型、无量纲，ledon为整型、单位为毫秒，ledoff为整型、单位为毫秒；表2 led配置结构体变量名类型说明ledpower整型驱动功率因子，无量纲ledon整型亮时长，单位为毫秒ledoff整型灭时长，单位为毫秒。
[0022]
所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，设置有由led配置结构体（nt_ledcfg）定义的数据缓冲区myled[n]，n的范围：10～600。
[0023]
所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，每秒钟定时执行主动示廓分析控制模块，具体步骤如下：w1：定义一个变量count、一个距离值数组变量distance[m]；这些变量均初始化为0；w2：遍历myxyt[1]～myxyt[m]，若为非0数据记录，则用其成员变量x、y与myxyt[0].x、myxyt[0].y计算获得船舶和浮标之间的距离值，保存在distance[count]，count++；w3：遍历distance[0] ～distance[count-1]进行除以knot归一化处理，knot范围：100～1000，结果对应保存在distance[0] ～distance[count-1]；w4：对distance[0]～distance[count-1]求加权平均值；
w5：对w3结果取整数；w6：用步骤w4获得的结果作为序号i，从myled[i].ledpower、myled[i].ledon、myled[i].ledoff读取获得led驱动功率、亮时长、灭时长数据，然后用这些数值分别设置led驱动功率电路、定时器timerled_on中断周期、定时器timerled_off中断周期。
[0024]
与现有技术方法相比，本发明的有益效果是：安装在观测浮标的主动示廓装置，可以根据周围船舶的距离远近，动态调整led灯带的输出功率、亮时长、灭时长，达到以较少的能源消耗实现较好的标体示廓效果，有利于提示存在浮标、警示安全通航，促进提高观测浮标的自持力和生存力。
[0025]
本发明的目的、特征及优点将通过实施例并结合附图进行详细说明。
附图说明
[0026]
图1为本发明的电路结构图。
[0027]
图2是本发明的数据合规性判别流程图。
[0028]
图3是本发明的主动示廓分析控制流程图。
实施方式
[0029]
图1中，101是嵌入式微处理器，102是485总线协议模块，103是led驱动模块，104是led灯带，105是ais接收模块，106是位置定位模块，107是光照度传感器，其中101分别和102、103、105、106、107相连，103和104相连。
[0030]
为了进一步说明本发明的具体实施方式，如图2、图3所示的流程图，包括以下模块和步骤。
[0031]
步骤201：开始数据合规性判别模块，执行步骤202；步骤202：设置i为1，执行步骤203；步骤203：判断myxyt[i].mmsi是否为0，如果不为0则执行步骤204，否则是为0则执行步骤207；步骤204：计算deltat=abs（myxyt[i].time-myxyt[0].time），执行步骤205；步骤205：判断deltat是否大于360，如果大于360则执行步骤206，否则执行步骤207；步骤206：设置myxyt[i].mmsi为0，执行步骤207；步骤207：执行i加一操作，执行步骤208；步骤208：判断i是否小于m，如果小于m则执行步骤203，否则符合执行步骤209；步骤209：退出本模块。
[0032]
步骤301：开始主动示廓分析控制模块，执行步骤302；步骤302：设置count为0，i为1,清零数组distance[m]，执行步骤303；步骤303：判断myxyt[i].mmsi是否为0，如果为0则执行步骤306，否则不为0则执行步骤303；步骤304：计算，执行步骤305；步骤305：计算distance[count]=int(distance[count]/knot)，count++，执行步
骤306；步骤306：i加一，执行步骤307；步骤307：判断i是否小于m，如果小于m则执行步骤303，否则执行步骤308；步骤308：对distance[0]～distance[count-1]进行加权平均值计算，取整数，保存到i，执行步骤309；步骤309：取myled[i].ledpower设置led驱动功率电路，取myled[i].ledon设置定时器timerled_on中断周期，取myled[i].ledoff设置定时器timerled_off中断周期；执行步骤310；步骤310：退出本模块。
[0033]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应该理解，我们所描述的具体实施例只是说明性的，而不是用于对本发明范围的限定，任何受本发明技术路线启发所作的等效修饰以及变化，都应当涵盖在本发明权利要求所保护的范围内。

技术特征：
1.一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法，可以根据周围ais船舶的距离动态调整与本装置相联的led灯带的驱动功率和亮灭时长，其特征在于：1）所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置由嵌入式微处理器、led驱动模块、光照度传感器、led灯带、485总线协议模块、ais接收模块、定位模块组成，其中，嵌入式微处理器分别和led驱动模块、光照度传感器、485总线协议模块、ais接收模块、定位模块相连，led驱动模块和led灯带相连；2）所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，内部设置有由位置时间结构体nt_xyt定义的数据缓冲区myxyt[m]，m的范围：5～500，其中，myxyt[0]保存海洋观测浮标的mmsi码、经度、纬度、数据时间，myxyt[1]～myxyt[m]保存其他船舶的mmsi码、经度、纬度、数据时间；所述位置时间结构体nt_xyt，由mmsi码、经度、纬度、数据时间组成；myxyt[1]～myxyt[m]的初始值均为0；3）所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，设置有由led配置结构体nt_ledcfg定义的数据缓冲区myled[n]，n的范围：10～600；所述led配置结构体nt_ledcfg，由驱动功率因子ledpower、亮时长ledon、灭时长ledoff组成，其中，ledpower为整型、无量纲，ledon为整型，单位为毫秒，ledoff为整型，单位为毫秒；4）所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，每秒定时执行数据合规性判别检查，具体步骤如下：t1：myxyt[i].mmsi不为0（i=1～m），计算deltat，deltat=abs（myxyt[i].time-myxyt[0].time）；t2：如果deltat>360，则myxyt[i].mmsi=0；t3：重复t1，直到遍历结束；5）所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，每秒钟定时执行主动示廓分析控制模块，具体步骤如下：w1：定义一个变量count、一个距离值数组变量distance[m]；这些变量均初始化为0；w2：遍历myxyt[1]～myxyt[m]，若为非0数据记录，则用其成员变量x、y与myxyt[0].x、myxyt[0].y计算获得船舶和浮标之间的距离值，保存在distance[count]，count++；w3：遍历distance[0] ～distance[count-1]进行除以knot归一化处理，knot范围：100～1000，结果对应保存在distance[0] ～distance[count-1]；w4：对distance[0]～distance[count-1]求加权平均值；w5：对w3结果取整数；w6：用步骤w4获得的结果作为序号i，从myled[i].ledpower、myled[i].ledon、myled[i].ledoff读取获得led驱动功率、亮时长、灭时长数据，然后用这些数值分别设置led驱动功率电路、定时器timerled_on中断周期、定时器timerled_off中断周期。2.根据权利要求1所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法，其特征在于所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置，获得当前定位数据和时间数据的通道有2个，即485总线协议模块和定位模块，优选485总线协议模块；所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，通过2个通道中任一个通道获得定位数据包后，进行定位数据包解码，获得当前定位数据和时间数据；所述的嵌入式微处理器，如果选择通过485总线协议模块获得定位数据包，则控制关闭定位模块，否则就控制打开定位模块。
3.根据权利要求1所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法，其特征在于所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置，获得ais报文数据包的通道有2个模块，即485总线协议模块和ais接收模块，优选485总线协议模块；所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，通过2个通道中任一个通道获得ais报文数据包后，进行ais报文数据包解码，获得船舶的水上移动通信业务标识码、位置数据和时间数据；所述的嵌入式微处理器，如果选择通过485总线协议模块获得ais报文数据包时，则控制关闭ais接收模块，否则就控制打开ais接收模块。4.根据权利要求1所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法，其特征在于所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置，控制led灯带闪烁亮或灭的通道有2个，即485总线协议模块和光照度传感器，优选485总线协议模块；所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，如果通过485总线协议模块获得控制led灯带闪烁亮或灭指令，就控制led灯带闪烁亮或灭操作，并控制关闭光照度传感器；否则没有通过485总线协议模块获得控制led灯带指令，就控制打开光照度传感器，由光照度传感器检测白天黑夜状态，在白天时执行控制led灯带灭操作、在黑夜时执行控制led灯带闪烁亮操作。5.根据权利要求1所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法，其特征在于所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，设置有一个定时器timerled_on、一个定时器timerled_off，单位皆为毫秒，中断周期皆可调整；所述嵌入式微处理器，当进入定时器timerled_on中断服务程序，执行步骤如下：关闭定时器timerled_on，控制led驱动功率电路停止输出导致led灯带灭，开启定时器timerled_off；所述嵌入式微处理器，当进入定时器timerled_off中断服务程序，执行步骤如下：关闭定时器timerled_off，控制led驱动功率电路上电输出导致led灯带亮，开启定时器timerled_on。6.根据权利要求1所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法，其特征在于所述一种海洋观测浮标的主动示廓装置中的嵌入式微处理器，有一个ais报文数据包解码模块，具体步骤如下：s1：对ais报文数据包进行校验检查，校验正确执行后续步骤，否则退出本模块；s2：设置一个由nt_xyt定义的临时对象tmp，按照协议解码ais报文数据包，获得船舶的mmsi码、经度、纬度和时间数据，分别保存在tmp.mmsi、tmp.x、tmp.y和tmp.time；s3：在myxyt[1]～myxyt[m]成员变量中检索是否存在myxyt[i].mmsi=tmp.mmsi，若有则进行更新替换操作，即将myxyt[i]的数据全部替换为临时对象tmp的数据，然后退出本模块，否则执行后续步骤；s4：在myxyt[1]～myxyt[m]寻找到最小的位置j，满足myxyt[j].mmsi=0，则进行新增插入操作，即将myxyt[j]的数据全部替换为临时对象tmp的数据。

技术总结
本发明涉及一种海洋观测浮标的主动示廓装置及方法，由嵌入式微处理器、LED驱动模块、光照度传感器、LED灯带、485总线协议模块、AIS接收模块、定位模块组成，其中，嵌入式微处理器分别和LED驱动模块、光照度传感器、485总线协议模块、AIS接收模块、定位模块相连，LED驱动模块和LED灯带相连。所述的嵌入式微处理器每秒执行数据合规性判别检查，定时执行主动示廓分析控制模块，根据船舶和浮标距离归一化结果的加权计算，调整LED驱动功率、亮时长、灭时长。采用本发明的有益效果是：根据周围船舶的距离远近动态调整LED灯带功率和亮灭时长，达到以较少的能源消耗实现较好的标体示廓效果。少的能源消耗实现较好的标体示廓效果。少的能源消耗实现较好的标体示廓效果。


技术研发人员：王洪城 杨小强 黄江龙 吴允平 吴品煌 刘华松 朱程枫 刘伟 应海芳
受保护的技术使用者：福建师范大学 福州市海洋与渔业技术中心
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/6/27