Разработка телекоммуникационной системы для поддержки научно-исследовательской деятельности ИО (стр. 2 из 8)
С помощью перечисленных выше традиционных методов экспериментальной океанологии, как правило, можно изучать экологическую обстановку лишь в течение короткого времени и лишь в ограниченных по площади районах. Новые задачи, стоящие перед исследователями, требуют создания новых адекватных методов исследований. Это обусловлено несколькими причинами, главной из которых является настоятельная потребность изучения различных динамических процессов в морях и океанах для оценки состояния морской экосистемы, для чего необходимо проводить длительные, желательно многолетние непрерывные комплексные измерения.
Одним из таких новых направлений в мониторинге морской экологической обстановки, является создание постоянно действующих измерительных комплексов, или подводных обсерваторий (ПО).
Существует два основных типа подводных обсерваторий: стационарные кабельные и автономные буйковые подводные обсерватории. Очевидно, что основным преимуществом кабельных обсерваторий является практически неограниченные телекоммуникационные возможности, а также возможность подавать с берега питание. В то же время, столь же очевидны их недостатки – это высокая стоимость и «привязанность» к береговой инфраструктуре. В числе основных преимуществ буйковых обсерваторий – возможность размещения их практически в любой точке Мирового океана. [3]
Важной особенностью кабельных обсерваторий является принципиальная возможность их размещения на глубоководных буровых платформах, что существенно расширяет круг задач.
Основным отличием стационарных измерительных комплексов является возможность непрерывного измерения океанологических параметров и передачи их в реальном масштабе времени потребителю.
1. Разработка подсистемы сбора гидрофизических параметров
1.1 Применение, устройство и принципы функционирования ПО. Значение подсистемы сбора ГФП в её составе
1.1.1 Применение ПО в составе аппаратно-программного комплекса
В настоящее время ведется работа над проектом территориально-распределенного программно-аппаратного комплекса мониторинга морской экосистемы, который может использоваться как для оперативного реагирования на изменение ключевых характеристик окружающей среды, по которым можно судить о состоянии экосистем водной толщи и морского дна в условиях антропогенного воздействия, так и для анализа и прогнозирования изменения экологической обстановки на длительный период времени. Работа этих систем должна сочетаться со спутниковыми наблюдениями за поверхностью океана и периодическими судовыми научными исследованиями на обширных акваториях Мирового океана. Программно-аппаратный комплекс состоит из подводной обсерватории, обеспечивающей измерение ключевых характеристик морской экосистемы в течении длительного промежутка времени, и программно-аппаратных средств по приему, обработки, хранения и анализа полученных от обсерватории данных. (Рис. 1) К программно-аппаратным средствам по приему, обработки, хранения и анализа полученных от обсерватории данных относятся: узел связи (УС), региональный центр обработки информации (РЦО), главный центр хранения и обработки данных (ЦО). [4]
Разработанный программно-аппаратный комплекс обладает следующими характеристиками:
- количество каналов при одномоментной передаче данных – до 128;
- периодичность передачи пакета данных от ТЦ в ГЦ составляет – 1 час;
- скорость передачи данных лимитируется возможностями провайдеров Интернет и должна достигать максимально возможных значений;
- срок работы СБК лимитируется работоспособностью компонентов комплекса.
УС предназначен для:
- приема и оцифровки данных от различного измерительного оборудования, имеющегося в составе подводных обсерваторий;
- преобразования поступивших данных к одному стандартному для системы формату;
- первоначальной обработки данных с определением степени качества данных;
- помещение данных в базу;
- онлайновый мониторинг данных с определением отклонений от норм;
- передачу данных в территориальный центр обработки информации.
УС содержит блоки питания и аппаратуру позволяющую подключать подводные обсерватории и стационарные буи по различным интерфейсам, таким как Ethernet, RS 232/422/485.
РЦО и ЦО выполняют следующие задачи:
- обеспечение приема данных с узлов сбора данных (региональных центров для головного центра);
- контроль качества данных;
- мониторинг данных;
- анализ данных.
Рассмотрим алгоритм работы программно-аппаратного комплекса.
УС подключается (Рис. 1) по волоконно-оптическому кабелю к компьютеру сбора и первичной обработки данных (КСД). На нем выполняется сбор данных с обсерваторий первичная обработка и пересылка данных по сети Интернет в Центр обработки данных ИО РАН. РЦО подключен к сети Интернет через компьютер-шлюз (КШИ). Он выполняет функции маршрутизации и организует канал VPN между РЦО и ЦО. Технология VPN создает виртуальные каналы связи через общедоступные сети. По каналу VPN данные пересылаются в ЦО в зашифрованном виде, что предотвращает несанкционированную утечку данных при передаче. В ЦО ИО РАН (Рис. 1) данные попадают в хранилище океанологических данных OceanDB. [3]
Рисунок 1. Структура программно-аппаратного комплекса
2.1.2 Устройство и принципы функционирования ПО
Конструктивно подводная обсерватория состоит из металлической рамы, на нее с помощью держателей закрепляются корпуса общесистемного модуля, энергетического модуля и корпуса датчиков. Общесистемный модуль предназначен для размещения основных электронных модулей обсерватории и датчика давления. В энергетическом модуле размещаются батареи электропитания и электроника для контроля за их состоянием. Вводы в корпуса выполнены с использованием стандартных подводных разъемов компании Birns. Рама и корпуса этих модулей изготовлены из нержавеющей стали. Максимальная возможная глубина их использования составляет 1000 метров. Корпуса датчиков изготовлены из пластиков типа Делрин, или ABS. Конструкция позволяет размещать обсерваторию на длительное время на грунте или на заякоренном буе.
Подводная обсерватория имеет модульную структуру (Рис. 2) и состоит из: подсистемы сбора ГФП; гидрохимического модуля; гидрооптический модуля; системного модуля; автономномного или кабельного блока питания. Обязательным в составе ПО является наличие подсистемы сбора ГФП, системного модуля и кабельного или автономного блока питания.
К подводной обсерватории также возможно подключать:
Комплект приемных линий для измерений электрического поля течений в прибрежной зоне (для этого необходимо проложить по дну две ортогональные приемные линии (полевые телефонные кабели), заземленные на концах неполяризующимися электродами).
Термокосу и датчик температуры воздуха над поверхностью воды.
Термокоса предназначена для измерения профиля температуры воды и конструктивно представляет собой кабель, на котором через каждые полтора метра размещены цифровые датчики температуры.
Рисунок 2. Структурная схема подводной обсерватории
Основными измеряемыми параметрами подсистемы сбора ГФП являются: температура воды и электропроводность воды.
Основные измеряемые параметры гидрохимического модуля следующие: растворенный кислород, pH.
Основные измеряемые параметры гидрооптического модуля: содержание хлорофилла в воде, мутность воды.
Ведется разработка оптического модуля. Текущая его версия позволяет измерять с помощью флюорометра содержание хлорофилла «а» и мутность воды с помощью датчика мутности.
Выходы всех датчиков аналоговые, напряжение в диапазоне от 0 до 5 В.
Основные метрологические характеристики датчиков следующие:
• Датчик электропроводности:
- диапазон измерения 0÷70 мСм/см;
- погрешность ± 0,01 мСм/см;
• Датчик температуры:
- диапазон измерения -2..32 °С;
- погрешность ± 0,01 °С;
Флюориметр:
- диапазон измерения 0 – 6000 м;
- погрешность ± 0,02 µg/l;
• Мутномер (Turbidity Meter):
- диапазон измерения 0 – 6000 м;
- погрешность ± 0,01 NTU.
Блок питания служит для обеспечения электропитания подводной обсерватории, как от автономного, так и от внешнего источника энергии.
Системный модуль отвечает за управление электропитанием, сбор данных от измерительных модулей и передачу информации в береговой центр сбора. Структурная схема модуля изображена на рис. 3.
Системный модуль состоит из блока коммутации, блока управления (передачи), блока контроля электропитания и блока драйверов интерфейса. Поскольку выпускаемые промышленностью различные измерительные датчики имеют разные не стандартизированные форматы передачи данных, то с целью приведения их к одному виду было разработано устройство согласования форматов и протоколов. Большинство выпускаемых датчиков имеют аналоговый или цифровой интерфейс RS-232. Разработан блок коммутации, позволяющий подключать, до 10 каналов измерительных по интерфейсу
RS-232, или до 32 аналоговых низкочастотных каналов. [6]
Рисунок 3. Системный модуль ПО
Алгоритм работы ПО следующий:
Аналоговые каналы оцифровываются с помощью АЦП. Каждый цифровой канал обрабатывается собственным микроконтроллером. Для каждого канала задается собственный алгоритм обработки данных. Все микроконтроллеры связываются по шине I2C с центральным микроконтроллером (ЦМ). ЦМ по интерфейсу Ethernet или RS-485 связывается с береговым центром сбора данных.