一种海底观测网接驳盒

摘要

本发明公开了一种海底观测网接驳盒，包括：接驳扩展接口、监控模块、接口控制模块和数据交换模块；接驳扩展接口用于扩展连接级联的接驳盒；监控模块用于接收岸基站指令，并根据指令对数据交换模块、接口控制模块和级联的接驳盒分别进行固件升级、远程调试、功能配置和复位重启；还用于接收并解析岸基站发送的时钟协议，为各观测设备提供授时；接口控制模块用于接收岸基站的控制指令，实现对设备接口和接驳扩展接口的控制，还用于将采集的设备接口和接驳扩展接口的状态信息发送至数据交换模块；数据交换模块用于对接收到的观测设备的数据、级联的接驳盒的数据以及各接口的状态信息进行汇总，并由主基站上传到岸基站。

权利要求

1.一种海底观测网接驳盒，包括：用于将接驳盒接入海底观测网的输入接口和多个用于连接观测设备的设备接口，其特征在于，所述接驳盒还包括：接驳扩展接口、监控模块、接口控制模块和数据交换模块；

所述接驳扩展接口，用于扩展连接级联的接驳盒，为级联的接驳盒提供电能、数据通道和监控通道；

所述监控模块，用于接收岸基站指令，并根据指令对数据交换模块、接口控制模块和级联的接驳盒分别进行固件升级、远程调试、功能配置和复位重启；接收并解析岸基站发送的时钟协议，为各观测设备提供授时；用于获取数据交换模块和接口控制模块的状态信息，由主基站上传到岸基站；还用于通过接驳扩展接口对级联的接驳盒的进行状态监控；

所述接口控制模块，用于接收岸基站的控制指令，实现对设备接口和接驳扩展接口的控制，还用于将采集的设备接口和接驳扩展接口的状态信息发送至数据交换模块；

所述数据交换模块，用于接收岸基站的控制指令并转发给相应的其它模块，还用于对接收到的观测设备的数据、级联的接驳盒的数据以及各接口的状态信息进行汇总，并由主基站上传到岸基站；

所述监控模块包括：数据交换单元、从时钟单元、监控核心处理单元、多个GPIO外控单元和多个标准串行接口；所述GPIO外控单元连接到接驳盒内其它模块的复位接口上，所述监控核心处理单元通过多个标准串行接口与接驳盒内的其它模块进行通信；

所述数据交换单元，用于通过状态监控通道接收主基站下发的NTP和PTP时钟协议，并发送给从时钟单元；用于接收岸基站的调试指令和重启指令，并发送给监控核心处理单元，用于通过接驳扩展接口对级联的接驳盒进行状态监控，根据岸基站的指令通过接驳扩展接口对级联的接驳盒进行固件升级、远程调试、功能配置和复位重启；还用于将接收到的各模块的状态信息通过状态监控通道由主基站上传到岸基站；

所述从时钟单元，用于接收并解析主基站下发的NTP和PTP时钟协议，并通过设备接口为各观测设备提供授时服务；

所述监控核心处理单元，用于读取所连接的其它模块的状态信息并发送至数据交换单元，用于根据岸基站的调试指令分别对数据交换模块和接口控制模块进行功能配置和固件升级，根据岸基站的重启指令通过GPIO外控单元对所连接模块进行复位重启；还用于对从时钟单元的输出进行开关控制。

2.根据权利要求1所述的海底观测网接驳盒，其特征在于，所述输入接口包括两个独立的通信通道：数据传输通道和状态监控通道，所述数据交换模块通过数据传输通道与主基站进行通信，所述监控模块通过状态监控通道与主基站进行通信。

3.根据权利要求2所述的海底观测网接驳盒，其特征在于，所述数据交换模块包括：通信设置子模块、串口接入子模块和数据传输子模块；

所述通信设置子模块，用于当接收到串口型观测设备发送的串口数据，将串口数据发送至串口接入子模块，当接收到以太网型观测设备发送的以太网数据，将以太网数据发往数据传输子模块；

所述串口接入子模块，用于从监控模块获得时间同步，为接入的串口数据加入时间戳；

对串口数据进行协议转换，将转换后的数据发送至数据传输子模块；

所述数据传输子模块，用于接收岸基站发送的控制指令，并转发给相应的其它模块；还用于接收观测设备的数据，接收接驳扩展接口传输的所级联的接驳盒的数据，接收接口控制模块发送的接口状态信息，汇总后通过数据传输通道由主基站上传到岸基站。

4.根据权利要求3所述的海底观测网接驳盒，其特征在于，所述接口控制模块包括：核心控制子模块、设备接口控制子模块和扩展接口控制子模块；

所述核心控制子模块，用于接收数据交换模块转发的接口控制指令并分别转发至设备接口控制子模块和扩展接口控制子模块，还用于接收设备接口控制子模块和扩展接口控制子模块发送的接口状态信息，并转发至数据交换模块；

所述扩展接口控制子模块，用于根据接收的接驳扩展接口的控制指令，对接驳扩展接口进行控制，并对该接口的状态信息进行采集发送至核心控制子模块，状态信息包括电压、电流、温度和过压过流保护状态；

所述设备接口控制子模块，用于根据接收到的设备接口的控制指令，对设备接口进行控制，并对该接口的状态信息进行采集发送至核心控制子模块，状态信息包括电压、电流、温度和过压过流保护状态。

5.根据权利要求4所述的海底观测网接驳盒，其特征在于，所述扩展接口控制子模块包括：电流传感器、接口控制开关和接驳扩展控制电路；其中，所述输入接口输入的电源直接通过电流传感器和接口控制开关连接到接驳扩展接口；电流传感器采集的电流信息通过接驳扩展控制电路发送到核心控制子模块；接驳扩展控制电路实现核心控制子模块对接口控制开关的控制。

6.根据权利要求4所述的海底观测网接驳盒，其特征在于，所述接驳盒还包括：电压转换模块，用于对输入接口输入的供电进行电能转化，为其它模块供电，同时具备12/24/

48VDC的输出能力为设备接口供电。

7.根据权利要求6所述的海底观测网接驳盒，其特征在于，所述设备接口控制子模块将岸基站发送的电压设置指令发送给电压转换模块，实现设备接口的特定电压输出。

说明书

一种海底观测网接驳盒

技术领域

[0001] 本发明涉及海底观测网技术领域，具体涉及一种海底观测网接驳盒。

背景技术

[0002] 海底观测网是一种新兴的海洋观测技术手段，主要由岸基站，光电复合海缆(简称“海缆”)、中继器、海底主基站、海底接驳盒、观测设备等组成，其中岸基站、海缆、中继器、海
底主基站等构成了海底观测网的主干网络，海底接驳盒为海底观测网的次级网络，数量众
多的观测设备构成了海底观测网的观测网络(第三级)。海底观测网的工作模式如下：观测
设备将采集到的科学数据发送到海底接驳盒，在海底接驳盒内部汇聚后传送到海底主基
站，海底主基站将多个海底接驳盒的数据进一步汇聚后通过海缆中的光纤传送到岸基站；
岸基站可通过海缆为水下设备供电并将控制指令发送到水下各级设备。海底接驳盒输入端
连接海底主基站，输出端连接各观测设备，实现功能包括电能中低压转换，为观测设备提供
电能；为观测设备提供多路标准水下接口，并将观测设备采集的观测数据汇总上传到海底
主基站，由此可看出海底接驳盒是连接观测网络与主干网络的核心设备。

[0003] 目前海底接驳盒的主要实现方法如专利申请号20140424963.4“一种海底观测网次接驳盒内的监控系统”中所描述的，主要包括电压转换电路，采集腔内环境数据的环境监
测电路，嵌入式PC、以太网交换机、继电控制保护电路以及接地故障检测电路等组成。嵌入
式PC为核心控制单元，利用以太网交换机实现岸基与嵌入式PC、科学设备的通讯；环境监测
电路检测接驳盒内的电压、电流、温湿度和漏水情况；接地检测电路检测下级负载的接地故
障情况；继电控制保护电路检测下端科学设备的输入端电压、电流，实现负载的电能通断和
过流、短路保护功能。

[0004] 可以看出，现有方案存在以下问题：

[0005] 1、岸基站无法对接驳盒内部关键模块进行状态监控、接驳盒发生故障后无法实现故障定位更加无法在线修复、也无法对重要的更新固件进行远程升级，因此只要接驳盒内
部关键模块出现问题将导致接驳盒无法工作。譬如，负责接驳盒与岸基站通信功能的交换
机，启动时若出现固件读取失败、配置文件出错等理论上可恢复的问题时，接驳盒将彻底与
岸基站失去通信连接，岸基运维人员无法判断接驳盒内部故障原因(究竟是硬件损坏或者
软件故障)，只能依赖后期运维船只将接驳盒打捞并拆解后进行故障查找和维护，时间成本
和金钱成本都很巨大；2、无法为观测设备提供精确时钟信号，包括海底地震仪、声学设备等
对时间精度要求较高，需要接驳盒内部具备高精度时钟提供能力；无法解决大部分串口接
入观测设备本身不具备时间同步功能，只有依赖数据传输到岸基站后由岸基设备添加时间
戳的问题，这样会导致数据时间精度不足；3、对接驳盒定制性要求高，设备接口电压和通信
协议固定，无法适配不同类型观测设备；4、扩展能力差，非模块设计，无法方便的扩展接驳
端口，不能实现接驳盒与接驳盒的级联，无法满足大量观测设备的接入需求。

发明内容

[0006] 针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种海底观测网接驳盒，包括：用于将接驳盒接入海底观测网的输入接口和多个用于连接观测设备的设备接口，所述接驳盒
还包括：接驳扩展接口、监控模块、接口控制模块和数据交换模块；

[0007] 所述接驳扩展接口，用于扩展连接级联的接驳盒，为级联的接驳盒提供电能、数据通道和监控通道；

[0008] 所述监控模块，用于接收岸基站指令，并根据指令对数据交换模块、接口控制模块和级联的接驳盒分别进行固件升级、远程调试、功能配置和重启操作；接收并解析岸基站发
送的时钟协议，为各观测设备提供授时；用于获取数据交换模块和接口控制模块的状态信
息，由主基站上传到岸基站；还用于通过接驳扩展接口对级联的接驳盒的进行状态监控；

[0009] 所述接口控制模块，用于接收岸基站的控制指令，实现对设备接口和接驳扩展接口的控制，还用于将采集的设备接口和接驳扩展接口的状态信息发送至数据交换模块；

[0010] 所述数据交换模块，用于接收岸基站的控制指令并转发给相应的其它模块，还用于对接收到的观测设备的数据、级联的接驳盒的数据以及各接口的状态信息进行汇总，并
由主基站上传到岸基站。

[0011] 作为上述装置的一种改进，所述输入接口包括两个独立的通信通道：数据传输通道和状态监控通道，所述数据交换模块通过数据传输通道与主基站进行通信，所述监控模
块通过状态监控通道与主基站进行通信。

[0012] 作为上述装置的一种改进，所述监控模块包括：数据交换单元、从时钟单元、监控核心处理单元、多个GPIO外控单元和多个标准串行接口；所述GPIO外控单元连接到接驳盒
内其它模块的复位接口上，所述监控核心处理单元通过多个标准串行接口与接驳盒内的其
它模块进行通信；

[0013] 所述数据交换单元，用于通过状态监控通道接收主基站下发的NTP和PTP时钟协议，并发送给从时钟单元；用于接收岸基站的调试指令和重启指令，并发送给监控核心处理
单元，用于通过接驳扩展接口对级联的接驳盒进行状态监控，根据岸基站的指令通过接驳
扩展接口对级联的接驳盒进行固件升级、远程调试、功能配置和重启操作；还用于将接收到
的各模块的状态信息通过状态监控通道由主基站上传到岸基站；

[0014] 所述从时钟单元，用于接收并解析主基站下发的NTP和PTP时钟协议，并通过设备接口为各观测设备提供授时服务；

[0015] 所述监控核心处理单元，用于读取所连接的其它模块的状态信息并发送至数据交换单元，用于根据岸基站的调试指令分别对数据交换模块和接口控制模块进行功能配置和
固件升级，根据岸基站的重启指令通过GPIO外控单元对所连接模块进行复位重启操作；还
用于对从时钟单元的输出进行开关控制。

[0016] 作为上述装置的一种改进，所述数据交换模块包括：通信设置子模块、串口接入子模块和数据传输子模块；

[0017] 所述通信设置子模块，用于当接收到串口型观测设备发送的串口数据，将串口数据发送至串口接入子模块，当接收到以太网型观测设备发送的以太网数据，将以太网数据
发往数据传输子模块；

[0018] 所述串口接入子模块，用于从监控模块获得时间同步，为接入的串口数据加入时间戳；对串口数据进行协议转换，将转换后的数据发送至数据传输子模块；

[0019] 所述数据传输子模块，用于接收岸基站发送的控制指令，并转发给相应的其它模块；还用于接收观测设备的数据，接收接驳扩展接口传输的所级联的接驳盒的数据，接收接
口控制模块发送的接口状态信息，汇总后通过数据传输通道由主基站上传到岸基站。

[0020] 作为上述装置的一种改进，所述接口控制模块包括：核心控制子模块、设备接口控制子模块和扩展接口控制子模块；

[0021] 所述核心控制子模块，用于接收数据交换模块转发的接口控制指令并分别转发至设备接口控制子模块和扩展接口控制子模块，还用于接收设备接口控制子模块和扩展接口
控制子模块发送的接口状态信息，并转发至数据交换模块；

[0022] 所述扩展接口控制子模块，用于根据接收的接驳扩展接口的控制指令，对接驳扩展接口进行控制，并对该接口的状态信息进行采集发送至核心控制子模块，状态信息包括
电压、电流、温度和过压过流保护状态；

[0023] 所述设备接口控制子模块，用于根据接收到的设备接口的控制指令，对设备接口进行控制，并对该接口的状态信息进行采集发送至核心控制子模块，状态信息包括电压、电
流、温度和过压过流保护状态。

[0024] 作为上述装置的一种改进，所述扩展接口控制子模块包括：电流传感器、接口控制开关和接驳扩展控制电路；其中，所述输入接口输入的电源直接通过电流传感器和接口控
制开关连接到接驳扩展接口；电流传感器采集的电流信息通过接驳扩展控制电路发送到核
心控制子模块；接驳扩展控制电路实现核心控制子模块对接口控制开关的控制。

[0025] 作为上述装置的一种改进，所述装置还包括：电压转换模块，用于对输入接口输入的供电进行电能转化，为其它模块供电，同时具备12/24/48VDC的输出能力为设备接口供
电。

[0026] 作为上述装置的一种改进，所述设备接口控制子模块将岸基站发送的电压设置指令发送给电压转换模块，实现设备接口的特定电压输出。

[0027] 本发明的优势在于：

[0028] 1、本发明的接驳盒通过设计监控模块实现对接驳盒内部关键模块的状态监测，当关键模块出现故障后岸基站可通过该监控模块对故障模块进行远程固件升级、故障信息采
集、远程调试、功能重置、复位重启等操作，极大的提高了接驳盒的可靠性；

[0029] 2、本发明的接驳盒内部设计从时钟单元，可以实现PTP时钟水下解析再分配，便于接入对时间精度要求高的观测设备，而且从时钟单元的通信链路和业务数据相互独立，业
务数据流量不会影响从时钟的时间精度，可以极大的提高水下设备的授时精度；

[0030] 3、本发明通过通信设置子模块实现了软件定义设备接口通信方式，通过电压转换模块输出常用12/24/48VDC电压的设计，大大提高了观测设备的接入灵活性，减少了对接驳
盒的定制要求，可实现不同接口传感器的快速接入；

[0031] 4、由于海底观测网主基站接驳端口十分宝贵，在海底观测网设计之初已基本确定接入接驳盒数量和相关观测设备类型，因此很难满足后期热点观测区域观测设备大量接入
需求，本申请通过接驳盒内部设计扩展接口，可由该接口扩展连接其它接驳盒实现网络化
扩展，因此极大的提高了观测网的扩展能力。

附图说明

[0032] 图1为本发明的海底观测网接驳盒的组成示意图；

[0033] 图2为本发明的监控模块的组成示意图；

[0034] 图3为本发明的扩展接口控制子模块的电能控制示意图。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

[0036] 如图1所示，本发明提出的一种海底观测网接驳盒，主要包括：一个输入接口、多个设备接口、一个接驳扩展接口、监控模块、数据交换模块、接口控制模块和电压转换模块。输
入接口连接主基站，设备接口连接观测设备，接驳扩展接口用于扩展连接级联接驳盒，为级
联的接驳盒提供电能、数据通道和监控通道，实现接驳盒的网络化扩展。

[0037] 输入接口包括两个独立通信通道，分别为数据传输通道和状态监控通道，也就是数据交换模块与监控模块分别通过输入接口与主基站进行通信，传输通道相互独立，为独
立光纤或满足通信要求的双绞导线，可以保证数据通道与监控通道完全独立，保证状态监
控通道的功能独立性。

[0038] 设备接口用于连接观测设备，设备接口为观测设备提供电能接口，通信接口和同步时钟信号接口。另外为使接驳盒可以连接远距离观测设备(如潜标设备)，一个独立设备
接口连接水声通信模块，使接驳盒具备与观测设备水声无线方式连接的能力。

[0039] 接驳扩展接口输出电压与接驳盒输入接口电压相同，一般为375VDC，该电压在接驳盒内部不进行电能变换。

[0040] 监控模块通过串口与数据交换模块和接口控制模块进行通信连接。岸基站可通过监控模块对数据交换模块、接口控制模块以及级联的接驳盒进行固件升级、远程调试、功能
配置和复位重启；可解析岸基站传送的NTP、PTP时钟协议，并分配给多个设备接口，为观测
设备提供高精度授时；图2为监控模块内部构成图，输入端为光模块接口和通用性RJ45网络
接口，可根据监控通道是光纤还是电缆进行选择。监控模块包括：数据交换单元、从时钟单
元、监控核心处理单元、多个GPIO外控单元和多个标准串行接口；GPIO外控单元连接到接驳
盒内其它模块的复位接口上，监控核心处理单元通过多个标准串行接口与接驳盒内的其它
模块进行通信；

[0041] 数据交换单元，用于通过状态监控通道接收主基站下发的NTP和PTP时钟协议，并发送给从时钟单元；用于接收岸基站的调试指令和重启指令，并发送给监控核心处理单元；
数据交换单元也可通过接驳扩展接口为级联的接驳盒提供监控通道，接收岸基站的指令，
通过接驳扩展接口对级联的接驳盒的状态进行固件升级、远程调试、功能配置和复位重启；
还用于将接收到的各模块的状态信息通过状态监控通道由主基站上传到岸基站；

[0042] 从时钟单元，用于接收并解析主基站下发的NTP和PTP时钟协议，并通过设备接口为各观测设备提供授时服务；

[0043] 监控核心处理单元，用于分别读取数据交换模块和接口控制模块的状态信息并发送至数据交换单元，用于根据岸基站的调试指令分别对数据交换模块和接口控制模块进行
功能配置和固件升级，根据岸基站的重启指令通过GPIO外控单元对所连接模块进行复位重
启；还用于对从时钟单元的输出进行开关控制。

[0044] 数据交换模块负责将观测设备的数据、接驳扩展连接的接驳盒的数据、核心控制模块与设备接口控制模块的状态控制信息汇聚后发送到岸基站控制中心，岸基站发送的控
制信息也由数据交换模块分配给各模块；

[0045] 数据交换模块包括：通信设置子模块、串口接入子模块和数据传输子模块；

[0046] 通信设置子模块，用于当接收到串口型观测设备发送的串口数据，将串口数据发送至串口接入子模块，当接收到以太网型观测设备发送的以太网数据，将以太网数据发往
数据传输子模块；

[0047] 串口接入子模块，用于对接收到的串口数据进行协议转换，将转换后的数据发送至数据传输子模块，同时串口接入子模块可通过监控模块获得时间同步，为接入的串口数
据加入时间戳；

[0048] 数据传输子模块，用于接收岸基站发送的控制指令，并转发给相应的其它模块；还用于接收观测设备的数据，接收接驳扩展接口传输的所级联的接驳盒的数据，接收接口控
制模块发送的接口状态信息，汇总后通过数据传输通道由主基站上传到岸基站。

[0049] 接口控制模块包括：核心控制子模块、设备接口控制子模块和扩展接口控制子模块；

[0050] 核心控制子模块，用于接收数据交换模块转发的接口控制指令并分别转发至设备接口控制子模块和扩展接口控制子模块，还用于接收设备接口控制子模块和扩展接口控制
子模块发送的接口状态信息，并转发至数据交换模块；

[0051] 扩展接口控制子模块，用于根据接收的接驳扩展接口的控制指令，对接驳扩展接口进行控制，并对该接口的状态信息进行采集发送至核心控制子模块，状态信息包括电压、
电流、温度和过压过流保护状态；

[0052] 图3为扩展接口控制子模块电能控制图，由接驳盒输入接口输入的375VDC电源直接通过电流传感器和接口控制开关连接到接驳扩展接口，不在接驳盒内部进行电压转换；
电流传感器采集的电流信息通过接驳扩展控制电路发送到核心控制子模块，同时核心控制
子模块可通过接驳扩展控制电路对接口控制开关进行控制，实现接驳盒的级联扩展。

[0053] 设备接口控制子模块根据接收到的接驳扩展接口的控制指令，对设备接口进行控制，并对该接口的状态信息进行采集发送至核心控制子模块，状态信息包括电压、电流、温
度和过压过流保护状态。

[0054] 电压转换模块用于对输入接口输入的电能进行电能转化，为其它模块供电，同时具备12/24/48VDC的输出能力为设备接口供电，岸基站可通过设备接口控制子模块将电压
设置指令发送给电压转换模块，实现设备接口的特定电压输出。

[0055] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方
案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明
的权利要求范围当中。