专利名称：海底观测网络节点故障诊断系统的制作方法
技术领域：
本发明属于深海观测系统技术领域，具体地说，是涉及一种对海底观测网络节点的运行状况进行检测与维护的故障诊断系统。
背景技术：
海底观测网络系统能够提供多要素、多学科的长期、综合、实时观测，可以应用于包括基础科学研究、资源与能源、勘探开发利用、灾害与环境保护、航海等多方面研究领域，以满足国家海洋安全最基本的海底、水体和海面各种要素的需求。节点控制系统是海底观测网络中的基本单元与核心部分，它是一种基于水下的电能和信息集中、转换和处理的自动控制机电装置，是传感器、监测设备、路由器、以太网交换机等与分支网或主干网进行电气和数据连接的接口设备。节点包括含有光纤数据传输接口、水密接头的接驳盒、能源接口、传感器及外设接口，它是数据传输的中继器或终端，是长期监测深海环境的最佳平台，因此，节点的异常与故障排除是整个海底观测网络系统能否长期稳定运行的关键所在。一旦海底观测网络的节点控制系统发生严重故障，将会带来高昂的维修成本，甚至不可修复，因此，节点控制系统的故障诊断与维护具有重大的现实意义和应用价值。为了保障节点处于良好的运行状态，需要先进的节点故障诊断技术和设备对节点进行监控，并对出现的故障情况进行应急处理。而目前市场上还没有完善的海底观测网络节点故障诊断系统，无法满足节点控制系统的故障诊断与维护需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对海底观测网络节点而设计的故障诊断系统，以实现对海底观测网络节点的故障诊断与维护。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现
一种海底观测网络节点故障诊断系统，包括用于监测海底观测网络节点中能源供电模组运行状况的能源故障诊断子系统、用于监测海底观测网络节点内部传感器运行状况的节点舱体内部故障诊断子系统、用于监测海底观测网络节点外接传感器及设备运行状况的节点舱体外部故障诊断子系统、用于信号采集与处理的节点主控电路板、以及用于远程监控海底观测网络节点运行状况及数据管理的岸站；所述节点主控电路板分别与能源故障诊断子系统、节点舱体内部故障诊断子系统和节点舱体外部故障诊断子系统相连接，采集运行状况检测信号，并与岸站连接通信。优选的，所述节点主控电路板通过光电复合线缆连接岸站，岸站通过光电复合线缆中的电缆向节点主控电路板输送供电电源，所述供电电源经由节点系统中的电源模块转换成节点系统中各用电负载所需的工作电源，为各用电负载供电；岸站与节点主控电路板之间的通信数据和控制信号经由光电复合线缆中的光纤以光信号的形式传输。进一步的，在所述节点主控电路板上设置有用于传输数字信号的开关量输入检测
4电路、用于接收模拟信号并进行模数转换的ADC模数转换电路、用于数据通信的串口通讯电路、以及分别与所述的开关量输入检测电路、ADC模数转换电路和串口通讯电路对应连接的处理器。又进一步的，在所述能源故障诊断子系统中包含有能源供电模组、单片机、短路漏电保护控制单元、能源模块开关控制单元以及串口通讯电路；在所述能源供电模组中包含有N路并联的能源模块，所述N为大于1的自然数，连接在供电线路中用于对高压供电电源进行降压变换；所述能源模块在发生短路故障时输出短路信号，通过单片机控制短路漏电保护控制单元切断高压供电电源与发生短路故障的一路能源模块的供电线路；所述能源模块在其输出的电压或电流出现异常时，输出供电故障信号，通过单片机控制能源模块开关控制单元切断发生电压或电流故障的一路能源模块的电源输出线路，利用其它无故障的能源模块转换输出低压直流电源。对于能源模块的投切控制，优选采用以下两种控制方案
一种是，通过所述能源模块输出的短路信号和供电故障信号直接传输至单片机，一方面通过单片机生成控制信号输出至短路漏电保护控制单元或者能源模块开关控制单元，以切断高压供电电源与发生短路故障的一路能源模块的供电线路或者切断发生电压或电流故障的一路能源模块的电源输出线路；另一方面通过单片机生成短路故障编码和电压/电流超限故障编码，经由串口通讯电路发送至节点主控电路板上的处理器，通过处理器上传至岸站。另一种是，在所述能源故障诊断子系统中进一步设置短路信号反馈接口和能源供电反馈接口 ；通过不同能源模块输出的短路信号首先经由短路信号反馈接口输出至节点主控电路板上的开关量输入检测电路，进而传输至处理器的不同IO 口，所述处理器根据其IO 口接收到的短路信号进行短路故障编码，然后经由串口通讯电路发送至单片机，通过单片机解析出是哪一路能源模块发生了短路故障，进而输出控制信号至短路漏电保护控制单元，以切断高压供电电源与发生短路故障的一路能源模块的供电线路；通过不同能源模块输出的供电故障信号首先经由能源供电反馈接口输出至节点主控电路板上的ADC模数转换电路，进行模拟信号到数字信号的转换处理后，输出至处理器的不同数字接口，进而生成电压/电流超限故障编码经由串口通讯电路发送至单片机，然后通过单片机解析出是哪一路能源模块发生了供电故障，进而输出控制信号至能源模块开关控制单元，以切断发生电压或电流故障的一路能源模块的电源输出线路。其中，作为所述短路漏电保护控制单元的一种优选电路组建结构，可以设计N组由光电耦合器和继电器连接而成的开关支路，其中，N组开关支路中的光电耦合器分别与单片机的N路IO 口一一对应连接，N个继电器的活动触点一一对应的串联在高压供电电源与N路能源模块的供电线路中；通过单片机输出的控制信号经由光电耦合器进行光电隔离处理后，控制继电器的线圈供电回路通断，进而驱动继电器的活动触点动作，以切断或者连通高压供电电源与能源模块的供电线路。作为所述能源模块开关控制单元的一种优选设计方案，可以设置模拟开关电路、N个光电耦合器和N个继电器，所述N个继电器的活动触点一一对应的串联在N路能源模块的电源输出线路中；单片机根据各能源模块的供电故障情况生成地址编码，输出至模拟开关电路的选择端子，以配置模拟开关电路中N路输出端子的高低电平状态；所述模拟开关电路的N路输出端子分别与N个光电耦合器的发光侧一一对应连接，N个光电耦合器的受光侧分别与N个继电器的线圈一一对应连接，通过对各个继电器的线圈进行通断电控制，进而控制各个继电器的活动触点动作，以切断或者连通各路能源模块的电源输出线路。再进一步的，在所述节点舱体内部故障诊断子系统中包含有分别用于对节点舱体内部的温度、盐度、压力、湿度情况进行采样检测的温度传感器、盐度传感器、压力传感器和湿度传感器，各传感器将检测值发送至节点主控电路板上的ADC模拟转换电路进行模拟信号到数字信号的转换处理后，传输至处理器，以分析出节点舱体内部是否出现异常，并将分析结果上传至岸站。更进一步的，在所述节点舱体外部故障诊断子系统中包含有用于检测外接传感器的供电电源状况的检测电路，输出电压、电流采样值至节点主控电路板上的ADC模数转换电路，转换成数字信号后输出至处理器；所述处理器在检测到连接某一路外接传感器的供电电源出现异常时或者某一路外接传感器发出的检测数据长时间不正常时，输出控制信号至节点舱体外部故障诊断子系统中的传感器模块开关控制单元，进而切断出现故障的一路外接传感器的供电线路；同时，处理器将外接传感器的故障信息上传至岸站。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是本发明的海底观测网络节点故障诊断系统针对海底观测网络节点系统平台专门设计，能够很好地完成海底观测网络节点的常规故障诊断与维护任务，不仅缩短了海底观测网络节点的故障诊断时间，最大程度上保证了海底观测网络节点的正常运行，而且大大降低了海底观测网络节点的维修费用。结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
图1是本发明所提出的海底观测网络节点故障诊断系统的整体架构框图2是图1中能源故障诊断子系统与节点主控电路板的一种实施例的电路组建及连接关系图3是图2中短路漏电保护控制单元的一种实施例的电路原理图；图4是图2中能源模块开关控制单元的一种实施例的电路原理图；图5是图1中节点舱体内部故障诊断子系统与节点主控电路板的一种实施例的电路组建及连接关系图6是图1中节点舱体外部故障诊断子系统与节点主控电路板的一种实施例的电路组建及连接关系图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细地描述。实施例一，参见图1所示，本实施例的海底观测网络节点故障诊断系统主要由节点主控电路板、能源故障诊断子系统、节点舱体内部故障诊断子系统、节点舱体外部故障诊断子系统以及岸站等部分组成。其中，节点主控电路板作为整个故障诊断系统的控制核心，分别与所述的能源故障诊断子系统、节点舱体内部故障诊断子系统、节点舱体外部故障诊断子系统对应连接，用于完成信号的采集、处于及通讯任务，同时与远程的岸站建立通信链接，实现陆上工作人员对海底观测网络节点运行状况的远程监控及数据管理工作。作为海底观测网络节点中各类故障的采样检测单元能源故障诊断子系统用于监测海底观测网络节点中能源供电模组的运行状况；节点舱体内部故障诊断子系统用于监测海底观测网络节点内部传感器的运行状况；节点舱体外部故障诊断子系统用于监测海底观测网络节点外接传感器及设备的运行状况。各类故障诊断系统将采集到的运行状况检测信号实时或者定时地传输至节点主控电路板，一方面可以在节点主控电路板的控制作用下对发生故障的能源模块或者传感器进行切除，以保证节点系统的持续安全运行；另一方面可以通过节点主控电路板上传至岸站，提供给陆上工作人员以及时对发生故障的设备进行修理或者维护。对于节点主控电路板与岸站之间的连接关系，本实施例优选采用光电复合线缆进行连接，如图1所示。对于各网络节点系统工作所需的供电电源由岸站通过光电复合线缆中的电缆传输提供。通常情况下，通过岸站输出的供电电源一般为6000V的交流高压，通过节点系统中的节点主控电路板输送至电源模块进行降压及整流变换处理后，生成400V直流高压供电电源输出至能源供电模组，以转换成低压直流电源(例如48V)为节点系统中用电负载供电。对于需要不同幅值工作电源的用电负载来说，还可以在能源供电模块的电源输出线路上进一步连接稳压电路，以稳压生成不同负载所需的直流电源(例如12V、5V等)，为不同负载提供工作电压。同时，在网络节点系统中还可以进一步配置不间断电源UPS，在岸站供电正常时，利用电源模块变换输出的400V高压供电电源同时为UPS充电蓄能；当岸站供电中断时，可以转由UPS为能源供电模组继续供电，以维持节点系统中各用电负载的不间断运行。对于岸站与节点主控电路板之间的通信数据和控制信号等，则可以经由光电复合线缆中的光纤以光信号的形式进行双向传输。此时，需要在节点主控电路板和岸站两侧分别配置光电转换模块，以完成光信号与电信号之间的相互转换。下面对构成所述海底观测网络节点故障诊断系统的各子系统的具体组建结构及工作原理做进一步详细的阐述。在本实施例的海底观测网络节点故障诊断系统中，节点主控电路板是系统的控制核心，可以实时采集与测量各项数据，进行数据通讯，监控接口状态，并迅速响应故障状态完成应急处理。在节点主控电路板上设置有处理器、用于采集数字信号的开关量输入检测电路、用于采集模拟信号并实现模数转换功能的ADC模数转换电路、以及用于数据通信的串口通讯电路，参见图2所示。其中，处理器可以采用基于ARM内核的微处理芯片进行电路设计，优选采用内部集成有MMC/SD卡读写控制器、实时时钟、支持多种类型外围接口等丰富硬件资源的高集成芯片，这样只需在处理器外部配置少量的外围电路便可组成及控制、通信功能于一体的中央处理系统，即可减小系统规模，又可提高系统运行的可靠性。开关量输入检测电路可以选用光耦隔离器连接处理器的IO 口，对来自其他子系统的开关量信号进行光电隔离处理后，再传输至所述的处理器，以保证处理器的安全。对于ADC模数转换电路来说，考虑到其他子系统输出的模拟信号有可能是单端信号，也有可能是差分信号，因此在设计所述ADC模数转换电路时优选设置两种类型的模数转换器，分别用于对单端模拟信号和差分模拟信号进行采集并转换成数字信号后，输出至处理器的数字接口。对于串口通讯电路，可以采用电平转换芯片MAX232与MAX1487，分别构成RS232与RS485通讯链路，用于数据通讯和控制指令的发送。本实施例的海底观测网络节点故障诊断系统主要对节点系统中的三方面故障进行检测诊断能源供电模组运行状况的故障诊断、节点舱体内部故障的检测诊断、节点舱体外部外接传感器及设备运行状况的检测诊断。针对上述三方面故障，本实施例分别设计了三个故障诊断子系统能源故障诊断子系统、节点舱体内部故障诊断子系统以及节点舱体外部故障诊断子系统，下面分别进行具体阐述。( 1)能源故障诊断子系统
在本实施例的能源故障诊断子系统中主要设置有能源供电模组、单片机、短路漏电保护控制单元、能源模块开关控制单元和串口通讯电路，参见图2所示。其中，在所述能源供电模组中包含有N路并联的能源模块，所述N为大于1的自然数，本实施例以N=15为例进行说明，分别与高压供电电源对应连接，例如通过电源模块变换输出的400V高压供电电源， 用于对高压供电电源进行降压变换处理，例如变换成48V的直流电压输出至后级用电负载。所述的每一路能源模块都具有短路检测功能和电压、电流输出异常检测功能，在能源模块发生短路故障或者供电输出异常情况时，可以分别输出短路信号和供电故障信号，以通知外围设备该能源模块当前所发生的故障。对于各能源模块的故障检测及故障响应处理， 本实施例提出以下两种处理方案
其一是，直接利用能源故障诊断子系统中的单片机连接各路能源模块，采集各能源模块输出的短路信号和供电故障信号，进而解析出是哪一路能源模块发生了何种类型的故障。对于发生短路故障的能源模块，单片机输出控制信号至短路漏电保护控制单元，进而切断高压供电电源与发生短路故障的一路能源模块的供电线路，使发生短路故障的能源模块停止运行，以保证其他能源模块的正常供电。对于输出的电压或者电流发生过压、欠压或者过流、欠流故障的能源模块来说，单片机输出控制信号至能源模块开关控制单元，进而切断发生电压或电流故障的一路能源模块的电源输出线路，以避免对后级用电负载造成损坏。 此时，可以利用其他运行正常的能源模块转换输出低压直流电源，以满足后级用电负载的供电需求。对于发生故障的能源模块，单片机可以根据接收到的短路信号和供电故障信号分别编码生成短路故障编码和电压/电流超限故障编码，经由串口通讯电路发送至节点主控电路板上的处理器，进而通过处理器上传至岸站，供陆上工作人员监控。这种故障检测处理方案需要单片机配置有足够的接口资源，以满足与各个能源模块的连接需求。但是，对于采用接口资源相对紧张的单片机设计的能源故障诊断子系统来说，则很难满足与多个能源模块的连接要求，此时，可以考虑采用下述第二种设计方案。其二是，利用节点主控电路板上配置的处理器来采集各能源模块输出的短路信号和供电故障信号，进而解析出是哪一路能源模块发生了何种类型的故障，然后对故障信息进行编码后，回传至能源故障诊断子系统中的单片机，进而通过单片机控制短路漏电保护控制单元或者能源模块开关控制单元动作，以断开有故障的一路能源模块，避免其对其他各路能源模块造成影响。采用这种设计方案需要在能源故障诊断子系统中进一步设置短路信号反馈接口和能源供电反馈接口，如图2所示。通过各能源模块输出的短路信号经由短路信号反馈接口输出至节点主控电路板，通过节点主控电路板上的开关量输入检测电路进行采集和光电隔离处理后，输出至处理器的不同IO 口。处理器根据其不同IO 口接收到的短路信号进行短路故障编码，然后经由串口通讯电路以RS232串行通信方式发送至单片机。单片机接收到短路故障编码后，分析出是哪一路能源模块发生了短路故障，然后生成控制信号输出至短路漏电保护控制单元，控制短路漏电保护控制单元将能源供电模组中出现短路故障的能源模块断开，即切断该路能源模块与高压供电电源的供电线路，以保证其他的能源模块正常供电。当能源供电模组中的能源模块的输出电压或者电流出现异常时，发生故障的能源模块会产生供电故障信号，例如过流值、过压值、欠流值或者欠压值，经由能源供电反馈接口发送至节点主控电路板，通过节点主控电路板上的ADC模数转换电路采集并进行模拟信号到数字信号的转换处理后，分别传输至处理器的不同数字接口。处理器根据其不同数字接口接收到的供电故障信号，编码生成电压/电流超限故障编码，经由串口通讯电路以 RS232串行通信方式发送至单片机。单片机在接收到所述的电压/电流超限故障编码后， 即可分析出是哪一路能源模块发生了供电故障，进而输出控制信号至能源模块开关控制单元，将能源供电模组中发生电流或者电压超限故障的一路能源模块断开，例如切断该路能源模块的电源输出线路，以保证其他的能源模块正常工作。对于各路能源模块的故障编码信息，处理器可以通过光电复合线缆实时或者定时的上传至岸站，提供给陆上工作人员进行监控，并对出现故障的能源模块及时进行修理或者更换，确保整个海底观测网络系统的长期稳定、安全运行。作为所述短路漏电保护控制单元的一种优选电路设计方案，本实施例提出了光电耦合器配合继电器的电路设计形式，参见图3所示。针对N路能源模块配置N组分别由光电耦合器Ul和继电器Kl连接而成的开关支路，一一对应地连接在400V高压供电电源与各能源模块的供电线路中，并在单片机的控制作用下进行供电线路的通断控制。具体来讲，可以将N组开关支路中的光电耦合器分别与单片机的N路IO 口一一对应连接，N个继电器的活动触点一一对应地串联在高压供电电源与N路能源模块的供电线路中。以能源模块1为例进行说明，将光电耦合器Ul中发光二极管的阳极通过限流电阻Rl连接直流电源VDD3. 3， 发光二极管的阴极连接单片机的RBO 口，接收单片机输出的控制信号。将光电耦合器Ul中受光三极管的发射极接地，集电极通过限流电阻R2连接到继电器Kl线圈的一端，继电器Kl 线圈的另一端连接直流电源，例如+5V，继电器Kl的常闭触点串联在400V高压供电电源与能源模块1的正极输入端Vin之间。当能源模块1正常运行时，单片机通过其RBO 口输出高电平控制信号，此时光电耦合器Ul不导通，继电器Kl的线圈中无电流流过，继电器Kl的常闭触点保持关闭状态，进而使能源模块1的正极输入端Vin与400高压供电电源连通，通过能源模块1对高压供电电源进行降压变换处理。当能源模块1发生短路故障时，单片机通过其RBO 口输出低电平控制信号，控制光电耦合器Ul导通，进而连通继电器Kl的线圈供电回路，控制继电器Kl的常闭触点断开，以切断400V高压供电电源与能源模块1正极输入端Vin的连接，控制能源模块1停止工作， 从而将能源模块1从能源供电模组中切除。当然，所述短路漏电保护控制单元也可以仅采用继电器或者其他具有开关作用的开关元件设计实现，本实施例并不仅限于以上举例。作为所述能源模块开关控制单元的一种优选电路设计方案，本实施例提出了模拟开关电路配合N个光电耦合器和N个继电器的电路组建形式，参见图4所示。考虑到能源供电模组中配置有15路能源模块，因此对于支持8路输出的模拟开关电路U2来说需要设置两片。将两片模拟开关电路U2的片选端 1分别与单片机的两个IO 口对应连接，接收单片机输出的片选信号，进而确定启用哪一片模拟开关电路U2接收单片机发出的地址编码。将单片机输出地址编码的三个IO 口 RA0、 RAU RA2分别与两片模拟开关电路U2的选择端子SO、Si、S2 一一对应连接，模拟开关电路 U2根据其选择端子SO、Si、S2接收到的地址编码确定其各路输出端子Y0-Y7的高低电平状态，进而分别控制与其连接的一路光电耦合器U3导通发光或者关断。具体来讲，可以将模拟开关电路U2的N路输出端子分别与N个光电耦合器的发光侧一一对应连接，N个光电耦合器的受光侧分别与N个继电器的线圈一一对应连接，通过对各个继电器的线圈进行通断电控制，进而控制各个继电器的活动触点动作，以切断或者连通各路能源模块的电源输出线路。以能源模块2为例进行说明，将模拟开关电路U2的输出端子YO连接到光电耦合器U3中发光二极管的阴极K，发光二极管的阳极A通过串联的限流电阻R3连接直流电源 VDD3. 3V;光电耦合器U3中受光三极管的发射极GND接地，集电极E通过串联的限流电阻R4 连接继电器K2线圈的一端，继电器K2线圈的另一端连接+5V直流电源，继电器K2的常闭触点连接在能源模块2的正极输出端Vout与48V电源输出线路之间。当能源模块2正常运行时，单片机通过其RA3 口输出高电平，禁止模拟开关电路U2 工作，此时，光电耦合器U3不导通，继电器K2的线圈断电，其常闭触点保持闭合状态，使能源模块2的正极输出端Vout与48V电源输出线路连通，为后级负载供电。当能源模块2输出的电压或电流出现异常时，单片机通过其RA3 口输出低电平有效的片选信号至模拟开关电路U2，控制模拟开关电路U2启动运行，并向模拟开关电路U2的选择端子SO、Si、S2发出均为低电平的地址编码信号，进而选择第一路输出端子YO输出低电平，其余各路输出端子输出高电平。此时，光电耦合器U3的发光二极管导通发光，控制继电器K2的线圈通电，使其常闭触点K2断开，进而切断能源模块2的电源输出，从而将能源供电模组中出现电压、电流故障的能源模块2断开，利用其它无故障的能源模块为后级负载提供直流供电。(2)节点舱体内部故障诊断子系统
在本实施例的节点舱体内部故障诊断子系统中，包括安装在节点舱体内部的温度传感器、盐度传感器、压力传感器及湿度传感器，分别用于对节点舱体内部的温度、盐度、压力及湿度情况进行采样检测，参见图5所示。其中，温度传感器和压力传感器输出的检测信号可能是差分信号，传输至节点主控电路板上的ADC模数转换电路进行差分模拟信号到数字信号的转换处理后，输出至处理器进行故障判断。对于盐度传感器和湿度传感器来说，其输出的检测信号可能是单端信号，传输至节点主控电路板上的ADC模数转换电路进行单端模拟信号到数字信号的转换处理后，输出至处理器的数字接口。当节点主控电路板上的处理器检测到通过ADC模数转换电路转换输出的测量值出现异常时，例如温度过高、盐度偏小、压力过大、湿度过大等，则处理器将故障信息与测量数据经光电复合线缆及时上传给岸站，以通知岸站上的工作人员及时对该节点舱进行维护。节点舱体内部安装传感器输出的数据，对节点系统的故障诊断有着重要的意义。举例来说，当舱体内部传感器测得的压力值与湿度值同时过高，而盐度值显著改变并与节点舱外测得的盐度值相当时，则可判断节点舱体内部进水。此时，需要将此故障警情及时上传给岸站并进行应急处理。而温度值过高，则说明节点系统中的散热装置出现故障，并且可以辅助证明能源供电模组的故障状态。(3)节点舱体外部故障诊断子系统
在本实施例的节点舱体外部故障诊断子系统中，包括与外接传感器相连接的传感器电源反馈接口、数据传输接口及传感器模块开关控制单元，参见图6所示。其中，在每一路外接传感器设备的供电线路中均分别连接有一个检测电路，用于检测外接传感器的供电电源状况，并输出电压、电流采样值通过传感器电源反馈接口传输至节点主控电路板上的ADC 模数转换电路，进而转换成数字信号后输出至处理器。所述处理器在检测到连接某一路外接传感器的供电电源出现异常时(例如过压、过流、欠压、欠流等)或者某一路外接传感器发出的检测数据长时间不正常时，输出控制信号至节点舱体外部故障诊断子系统中的传感器模块开关控制单元，进而切断出现故障的一路外接传感器的供电线路，以保证其它的传感器设备正常工作。与此同时，处理器将外接传感器的故障信息上传至岸站，供工作人员监控。所述传感器模块开关控制单元同样可以选用模拟开关电路配合光电耦合器和继电器连接而成，仿照图4所示的电路组建结构，每一路光电耦合器和继电器对应某一特定的外接传感器设备，实现对该路外接传感器设备供电的通断控制。为了实现节点舱体外接传感器设备接口的即插即用，在所述数据传输接口中包含有差分信号接口、广5V信号接口、Γ20πιΑ信号接口、RS232及RS485串口。节点主控电路板上的处理器通过ADC模数转换电路和串口通讯电路接收外接传感器设备发送的各种类型的检测数据。节点系统可外接搭载多种所需的故障诊断传感器设备，例如CTD传感器、声学多普勒海流剖面仪等。举例来说，节点系统可搭载水下摄像机，该摄像机配置RS485云台控制串口，可与节点主控电路板上的串口通讯电路连接，可接收处理器发出的控制指令和设置参数，以完成节点系统水下周边360°视频监控故障诊断与分析的任务。本实施例针对海底观测网络节点系统的故障诊断及维护需求而设计，此节点故障诊断系统按照标准信号接口，可适配不同的传感器外设，并可进行系统功能性的可扩展性设计，能够快速、准确地对海底观测网络节点系统的异常状况进行故障诊断与快速故障定位，并对出现的故障进行应急处理，最大程度上维持节点系统的正常运转，显著降低了维护成本。当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于包括用于监测海底观测网络节点中能源供电模组运行状况的能源故障诊断子系统、用于监测海底观测网络节点内部传感器运行状况的节点舱体内部故障诊断子系统、用于监测海底观测网络节点外接传感器及设备运行状况的节点舱体外部故障诊断子系统、用于信号采集与处理的节点主控电路板、以及用于远程监控海底观测网络节点运行状况及数据管理的岸站；所述节点主控电路板分别与能源故障诊断子系统、节点舱体内部故障诊断子系统和节点舱体外部故障诊断子系统相连接，采集运行状况检测信号，并与岸站连接通信。
2.根据权利要求1所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于所述节点主控电路板通过光电复合线缆连接岸站，岸站通过光电复合线缆中的电缆向节点主控电路板输送供电电源，所述供电电源经由节点系统中的电源模块转换成节点系统中各用电负载所需的工作电源，为各用电负载供电；岸站与节点主控电路板之间的通信数据和控制信号经由光电复合线缆中的光纤以光信号的形式传输。
3.根据权利要求1或2所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于在所述节点主控电路板上设置有用于传输数字信号的开关量输入检测电路、用于接收模拟信号并进行模数转换的ADC模数转换电路、用于数据通信的串口通讯电路、以及分别与所述的开关量输入检测电路、ADC模数转换电路和串口通讯电路对应连接的处理器。
4.根据权利要求3所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于在所述能源故障诊断子系统中包含有能源供电模组、单片机、短路漏电保护控制单元、能源模块开关控制单元以及串口通讯电路；在所述能源供电模组中包含有N路并联的能源模块，所述N为大于1的自然数，连接在供电线路中用于对高压供电电源进行降压变换；所述能源模块在发生短路故障时输出短路信号，通过单片机控制短路漏电保护控制单元切断高压供电电源与发生短路故障的一路能源模块的供电线路；所述能源模块在其输出的电压或电流出现异常时，输出供电故障信号，通过单片机控制能源模块开关控制单元切断发生电压或电流故障的一路能源模块的电源输出线路，利用其它无故障的能源模块转换输出低压直流电源。
5.根据权利要求4所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于通过所述能源模块输出的短路信号和供电故障信号传输至单片机，一方面通过单片机生成控制信号输出至短路漏电保护控制单元或者能源模块开关控制单元，以切断高压供电电源与发生短路故障的一路能源模块的供电线路或者切断发生电压或电流故障的一路能源模块的电源输出线路；另一方面通过单片机生成短路故障编码和电压/电流超限故障编码，经由串口通讯电路发送至节点主控电路板上的处理器，通过处理器上传至岸站。
6.根据权利要求4所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于在所述能源故障诊断子系统中还包含有短路信号反馈接口和能源供电反馈接口 ；通过不同能源模块输出的短路信号经由短路信号反馈接口输出至节点主控电路板上的开关量输入检测电路，进而传输至处理器的不同IO 口，所述处理器根据其IO 口接收到的短路信号进行短路故障编码，经由串口通讯电路发送至单片机，通过单片机解析出是哪一路能源模块发生了短路故障，进而输出控制信号至短路漏电保护控制单元，以切断高压供电电源与发生短路故障的一路能源模块的供电线路；通过不同能源模块输出的供电故障信号经由能源供电反馈接口输出至节点主控电路板上的ADC模数转换电路，进行模拟信号到数字信号的转换处理后，输出至处理器的不同数字接口，进而生成电压/电流超限故障编码经由串口通讯电路发送至单片机，通过单片机解析出是哪一路能源模块发生了供电故障，进而输出控制信号至能源模块开关控制单元，以切断发生电压或电流故障的一路能源模块的电源输出线路。
7.根据权利要求4所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于在所述短路漏电保护控制单元中包含有N组由光电耦合器和继电器连接而成的开关支路，其中，N组开关支路中的光电耦合器分别与单片机的N路IO 口一一对应连接，N个继电器的活动触点一一对应的串联在高压供电电源与N路能源模块的供电线路中；通过单片机输出的控制信号经由光电耦合器进行光电隔离处理后，控制继电器的线圈供电回路通断，进而驱动继电器的活动触点动作，以切断或者连通高压供电电源与能源模块的供电线路。
8.根据权利要求4所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于在所述能源模块开关控制单元中包含有模拟开关电路、N个光电耦合器和N个继电器，所述N个继电器的活动触点一一对应的串联在N路能源模块的电源输出线路中；单片机根据各能源模块的供电故障情况生成地址编码，输出至模拟开关电路的选择端子，以配置模拟开关电路中N路输出端子的高低电平状态；所述模拟开关电路的N路输出端子分别与N个光电耦合器的发光侧一一对应连接，N个光电耦合器的受光侧分别与N个继电器的线圈一一对应连接，通过对各个继电器的线圈进行通断电控制，进而控制各个继电器的活动触点动作，以切断或者连通各路能源模块的电源输出线路。
9.根据权利要求3所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于在所述节点舱体内部故障诊断子系统中包含有分别用于对节点舱体内部的温度、盐度、压力、湿度情况进行采样检测的温度传感器、盐度传感器、压力传感器和湿度传感器，各传感器将检测值发送至节点主控电路板上的ADC模拟转换电路进行模拟信号到数字信号的转换处理后，传输至处理器，以分析出节点舱体内部是否出现异常，并将分析结果上传至岸站。
10.根据权利要求3所述的海底观测网络节点故障诊断系统，其特征在于在所述节点舱体外部故障诊断子系统中包含有用于检测外接传感器的供电电源状况的检测电路，输出电压、电流采样值至节点主控电路板上的ADC模数转换电路，转换成数字信号后输出至处理器；所述处理器在检测到连接某一路外接传感器的供电电源出现异常时或者某一路外接传感器发出的检测数据长时间不正常时，输出控制信号至节点舱体外部故障诊断子系统中的传感器模块开关控制单元，进而切断出现故障的一路外接传感器的供电线路；同时，处理器将外接传感器的故障信息上传至岸站。
全文摘要
本发明公开了一种海底观测网络节点故障诊断系统，包括能源故障诊断子系统、节点舱体内部故障诊断子系统、节点舱体外部故障诊断子系统、节点主控电路板以及岸站；所述节点主控电路板分别与能源故障诊断子系统、节点舱体内部故障诊断子系统和节点舱体外部故障诊断子系统相连接，采集运行状况检测信号，并与岸站连接通信。本发明的海底观测网络节点故障诊断系统针对海底观测网络节点系统平台专门设计，能够很好地完成海底观测网络节点的常规故障诊断与维护任务，不仅缩短了海底观测网络节点的故障诊断时间，最大程度上保证了海底观测网络节点的正常运行，而且大大降低了海底观测网络节点的维修费用。
文档编号H04L12/26GK102571435SQ20121000814
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者刘杰, 吕斌, 吴承璇, 曲君乐, 李正宝, 杜立彬, 江守和, 王秀芬, 贺海靖 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所