一种水声环境监测的无线通信系统与方法与流程

本申请涉及一种水声环境监测的无线通信系统与方法，属于水体动物监测、水声环境及水下监测技术领域。

背景技术：

传统的海面或水下环境监测大多采用有线线缆形式，近年来出现基于光缆形式的通信系统，有效提高了无线系统的传输容量。在传输模式方面，目前主要基于时分多址以及扩频技术，数据传输速率的提升以及实时准确的信息传递依然是各种水面监测技术的发展瓶颈。

经过检索，国内外专利和文献在水体动物监测、水声环境及水下监测技术方面，主要涉及到无线传输，然而其传输方法及设备配置比较单一，存在信息传输速率有限及传输不及时的弊端，例如：

(1)申请号：200810036339.1，名称：中华鲟自然保护区数字化监测方法；的专利，提出了针对中华鲟幼虫进行单一或多重标志，通过浮筒接收水体采集信息，再通过无线传输方式，传送到位于陆地上的基站；此种传输方式浮筒间隔7km，一方面如此广阔的水域范围内监测中华鲟幼虫，难免有疏漏，另一方面，仅通过浮筒传输到陆地上基站，信息传输准确率和实时性都难以保证。

在无线网络传输设备方面，涉及卫星通信信息传输、无线网络信息传输、无线局域平台信息交互，例如：

(2)发明专利“一种海上远程实时数据传输系统与数据传输方法”(专利号：201010258123.7)，基于扩频通信、时分多址技术以及自清洁装置，解决了海上远程实时通信的困难，具有抗干扰能力强以及通信容量大的特点。此专利中，中继站作为基站与浮标间通信的补充手段，有效提高了通信连接能力。然而，这种固定的网络构建方式，依然存在配置不灵活以及通信可靠性不能完全保障的情况。

(3)发明专利“一种基于中继浮标的水陆通信系统”(专利号：CN 105356925A)，公开了一种包括：水下运载器、光通信接收端模块、主控单元以及经无线电方式发送给陆地基站的基于浮标中继的水陆数据通信系统。结合了光学技术，能够实现高带宽、高保密性以及高灵活性的低成本通信。此专利基于浮标中继，扩展了浮标功能及信息传输范围，增强了配置灵活性。然而，采用光学方式采集的高带宽数据通过无线方式传输，难免会出现网络拥塞及信息获取不及时。

(4)实用新型专利“一种基于GPRS网络的航道水深远程监控系统”(专利号：CN204439172U)，其核心是浮标布设有监控设备现场采集数据，再由测深仪及远程数据传送设备传输到移动基站，再经GPRS及Internet网络，将信息传输到远程监控中心。

(5)美国专利“Method and apparatus for carrying out hi gh data rate and voice underwater communication”(专利号：US6130859A)，包含发射机、接收机及多普勒频移补偿；发射机包括数据源，串形转换为n路并行数据，n通道调制器产生调制的信号，发射机还包括水诊器用于接收和发送已调制信号；接收机包括接收已调信号的水诊器；接收机包括射频电路用于放大及对接收信号进行成型滤波，串并数据处理器，n通道解调器。

本发明通过引入网络拓扑涉及编码调制以及自组织网络协议，使得传感器信息采集灵活、接入及数据传输更可靠，有效改进和提升了现有水声环境监测的传输性能。

技术实现要素：

本发明的目的是进一步改进现有水声监测与传输系统的传输性能以及使用灵活度，提出了一种水声环境监测的无线通信系统与方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种水声环境监测的无线通信系统，包括：浮台接入节点、岸上基站、供电模块、信息采集模块、水下固定装置以及服务器设备；

所述的浮台接入节点包括浮台外壳、浮台通信单元、浮台监控单元以及浮台固定装置；其中，所述的浮台固定装置包括浮台锚及连接线缆；

浮台通信单元又包含浮台调制解调器、浮台天线、浮台天线适配器以及浮台线缆；

所述岸上基站包括远程通信单元、数据处理单元以及基站固定单元；

所述供电模块包括太阳能电池单元、电源模块以及蓄电池单元；其中，蓄电池单元包括蓄电池和电压变换器；太阳能电池单元包括太阳能电池和稳压器；

所述的信息采集模块包括视频采集单元、采集处理单元、传感器通信单元，且信息采集模块至少包括盐度传感器、水温传感器、水密度传感器、水质传感器以及固定螺栓B；

所述的盐度传感器、水温传感器、水密度传感器以及水质传感器均为1个或1个以上，传感器采集模块还可以包含其他类型的传感器；

所述的信息采集模块也可以为1个或多个；

所述水下固定装置包括固定锚、连接杆、轴销、固定螺栓A以及水下连接线缆(；

服务器设备又包含数据库、服务器通讯模块和后台处理模块；

其中，浮台通信单元与传感器通信单元之间可以采用无线局域网通信；浮台通信单元与传感器通信单元、远程通信单元与浮台通信单元通信、远程通信单元与传感器通信单元通信；以及远程通信单元与服务器通讯模块之间的通信，可以采用GPRS、CDMA以及LTE为主的无线网络；也可以采用卫星及HF电台网进行通信；

一种水声环境监测的无线通信系统中各模块连接关系如下：

浮台接入节点通过其中的浮台通信单元与岸上基站中的远程通信单元以及服务器设备中的服务器通讯模块采用无线方式连接；供电模块与浮台接入节点相连；信息采集模块通过其中的传感器通信单元与浮台接入节点及岸上基站通过无线方式相连；水下固定装置与信息采集模块相连，具体为水下固定装置中的固定锚与连接杆相连；连接杆与轴销相连，轴销与固定螺栓A相连，固定螺栓A与水下连接线缆相连；水下连接线缆与信息采集模块中的固定螺栓B相连；

浮台固定装置(的连接线缆与浮台接入节点的浮台外壳相连；浮台锚与连接线缆相连；

供电模块的太阳能电池单元与蓄电池单元相连；

一种水声环境监测的无线通信系统的各模块功能为：

所述服务器设备为远程信息处理中心，一方面通过服务器通讯模块使岸上基站可以访问，另一方面将岸上基站接收的信息采集模块采集和处理好的数据，并将其存储入数据库中；

所述信息采集模块通过视频采集单元采集水下的图像及视频，以及通过盐度传感器、水温传感器、水密度传感器以及水质传感器为主的传感器采集盐度、温度、水密度以及水质为主信息；再经其采集处理单元进行视频压缩为主的处理，将采集到的信息打包，再经传感器通信单元发送给浮台接入节点；浮台接入节点再通过无线电方式将压缩后的采集信息发送给岸上基站；岸上基站可以与浮台接入节点以及信息采集模块中的传感器传输单元通信；

所述的信息采集模块每隔S分钟通过视频采集单元采集水下的图像及视频，并调用其中各类传感器采集数据，其中，所述的S范围为2分钟到60分钟；

所述水下固定装置的功能是固定信息采集模块；

所述供电模块为浮台接入节点提供电能，具体通过蓄电池单元及太阳能电池单元以及电源模块来实现；

其中，太阳能电池产生的电能通过稳压器，再存储入蓄电池单元的蓄电池中；稳压器用于防止太阳能电池的电压过高，对蓄电池造成损害；

蓄电池单元中的电压变压器的功能是将蓄电池(输出的电压，变换为浮台接入节点需要的电压；

一种水声环境监测的无线通信方法，包括如下步骤：

步骤一、一种水声环境监测的无线通信系统中各模块连接及初始化，具体为：

1.1水下固定装置固定信息采集模块，具体为：

步骤1.11水下固定装置中的固定锚嵌入连接杆中；

步骤1.12连接杆嵌入轴销中；

步骤1.13轴销连接固定螺栓A；

步骤1.14固定螺栓A连接水下连接线缆；

步骤1.15水下连接线缆与信息采集模块中的固定螺栓B相连；

1.2浮台固定装置连接浮台接入节点，具体为：

步骤1.21浮台固定装置的连接线缆连接浮台接入节点的浮台外壳；

步骤1.22浮台固定装置的浮台锚与连接线缆相连；

1.3基站固定单元固定岸上基站；

1.4供电模块连接浮台接入节点；

1.5初始化浮台通信单元与浮台监控单元；

1.6初始化传感器通信单元、采集处理单元、视频采集单元以及盐度传感器、水温传感器和水密度传感器；

1.7初始化远程通信单元与数据处理单元(；

1.8初始化服务器通讯模块；

步骤二、信息采集模块中的视频采集单元和盐度传感器、水温传感器、水密度传感器以及水质传感器采集水下各种信息，采集处理单元将采集到的各种信息进行处理，再传给传感器通信单元；

所述的各种信息包括视频采集单元采集的视频图像信息、盐度传感器采集的盐度信息、水温传感器采集的水温信息、水密度传感器采集的水密度信息以及水质传感器采集的水质信息；

所述的采集处理单元将采集到的各种信息进行处理，包括对视频采集单元采集的视频图像信息进行压缩，以及对盐度传感器采集的盐度信息、水温传感器采集的水温信息、水密度传感器采集的水密度信息以及水质传感器采集的水质为主的传感器信息进行压缩和处理；

所述的传感器信息进行压缩和处理，包括霍夫曼编码为主的信源压缩、数字调制、自适应调制以及信道编码；

所述的数字调制方式可以为多进制PSK调制以及FSK调制；

所述的信道编码可以为汉明码、FEC编码、卷积码、Turbo码以及LDPC码；

步骤三、传感器通信单元将采集处理单元处理的传感器信息发送给浮台接入节点的浮台通信单元；将采集处理单元压缩的视频图像信息传输给浮台通信单元，浮台通信单元再转给浮台监控单元，浮台通信单元接收到传感器通信单元(43)传输来的信息后，与岸上基站进行通信，具体为：

3.1当浮台通信单元收到传感器通信单元传来的处理信息中含水质异常信息或视频图像信息过大的信息，会给岸上基站发送请求分担信息传输的信息，同时发送与传感器通信单元握手需要的信息；

3.2当浮台通信单元收到传感器通信单元传来的处理信息中仅含常规信息，即各种传感器信息及视频图像信息压缩良好，没有造成信息传输压力时，会给岸上基站发送信息传输正常的信息；

步骤四、岸上基站接收到步骤三中浮台通信单元传输来的信息后，反馈给浮台通信单元握手信息，并根据接收到的信息，决定是否与传感器通信单元握手并接收信息，具体为：

4.1若岸上基站中的远程通信单元接收到步骤三中浮台通信单元发来的请求分担信息传输的信息，则会根据接收到的与传感器通信单元握手需要的信息，与传感器通信单元握手，再接收传感器通信单元传输来的信息，并转入数据处理单元处理并存储入数据库中；

所述的数据处理单元处理传感器通信单元传输来的信息，具体包括：对传输来的视频信息进行锐化、解压缩以及还原和恢复处理，以期获得更加清晰的视频图像；

4.2若岸上基站中的远程通信单元接收到步骤三中浮台通信单元发来的常规信息，即：各种传感器信息及视频图像信息压缩良好，未造成信息传输压力，则持续接收浮台通信单元发来的信息，将接收到的直接转发给服务器通讯模块，由服务器通讯模块存入数据库中，同时经后台处理模块进行统计处理；

所述的后台处理模块将服务器通讯模块收到的浮台通信单元发来的信息进行统计分析，以备大数据分析和预测未来水环境的演变趋势；

步骤五、服务器设备通过服务器通讯模块使岸上基站可以访问；

至此，从步骤一到步骤五，完成了一种水声环境监测的无线通信方法。

有益效果

一种水声环境监测的无线通信系统与方法，与其他水声环境监测系统与方法相比，具有如下有益效果：

1.本发明提出的一种水声环境监测的无线通信系统与方法，引入灵活的信息传输机制，可以实现传感器信息直达岸上基站，或者经浮台通信单元传输；信息传输过程采用无线局域网、GPRS、LTE等公用网络或者HF电台传输，进一步提升了信息传输的有效性和可靠性；

2.本发明提出的一种水声环境监测的无线通信系统与方法，可以实现多种传感器及获得水下的水质信息，可以实现灵活的信息处理；可以受远程通信单元直接控制采集水下的各种数据及视频图像，从而实现实时测量和监测水下环境状况；

3.本发明提出的一种水声环境监测的无线通信系统与方法，其中的采集处理单元对采集来的数据和视频进行压缩、调制及编码；进一步的，数据处理单元对压缩的视频进行恢复、锐化为主的处理，配合服务器设备中的数据库和后台处理模块进行统计和存储，以备后续大数据分析和预测未来水环境的演变趋势；

4.本发明提出的一种水声环境监测的无线通信系统与方法，其供电方式灵活，可以采用蓄电池、太阳能电池以及电源模块供电，能够保证充足的电源供应，使得在特殊时段，可以连续不间断监测水体环境。

附图说明

图1是本发明一种水声环境监测的无线通信系统与方法的系统组成框图；

图2是本发明一种水声环境监测的无线通信系统与方法实施例1中的系统主体及通信连接关系示意图；图2中的虚点线代表无线连接，双排无箭头实线代表既可以有线连接也可以无线连接；三实线代表有线连接、无线连接以及广域网三种连接；带箭头的单实线表示非通信连接的普通连接及连接方向；

图3是本发明一种水声环境监测的无线通信系统与方法实施例2中信息采集模块的连接示意图；图3中的带箭头的虚点线代表各种无线连接方式，实线代表各种有线连接方式；

图4是本发明一种水声环境监测的无线通信系统与方法实施例3中信息采集模块的连接示意图；图4中的带箭头的双实线代表连接方向。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。

如图1所示，为本发明一种水声环境监测的无线通信系统与方法的系统组成示意图。

图1中可以看出，服务器设备主要包含数据库和服务器通讯模块，与岸上基站相连；岸上基站包括数据处理单元、远程通信单元和基站固定单元；浮台接入节点包括浮台外壳、浮台通信单元、浮台监控单元以及浮台固定装置；供电模块包括太阳能电池单元、电源模块和蓄电池模块，与浮台接入节点相连；水下固定装置包括固定螺栓A与信息采集模块中的固定螺栓B相连；信息采集模块可与浮台接入节点和岸上基站相连。

实施例1

本实施例阐述的是本发明一种水声环境监测的无线通信系统与方法在某广阔海域长期监测各层较深水域水体和水质状况的系统主体及通信连接关系，其示意图如图2所示。

从图2可以看出，与浮台接入节点无线相连的信息采集模块为N个且每个信息采集模块自带自清洁装置，是因为：一方面，测量海域范围广阔，故需布置多个信息采集模块，以确保各模块能够分别采集到不同位置海域的水质等信息；另一方面，考虑到长期监测，故为每个信息采集模块增加自清洁装置，有利于除去流动海水带来的泥沙及水草等干扰，使得信息采集模块中各传感器及视频采集单元能够长期无间断采集到尽量准确的信息。

图2中各模块的连接方式，也较为充分的考虑到对广阔水体的长期监测需要，即：各个信息采集模块均可以既和浮台接入节点，且接入方式有线接入和无线接入两种，也可以和岸上基站无线连接；若为无线连接，则可以采用自组织网络后无线局域网的接入模式，有线连接可以采用电缆及光缆方式。

岸上基站与浮台接入节点连接也比较灵活，也可以采用上述有线和无线两种方式；此外，岸上基站与服务器设备之间的通信模式，如图示说明，即除了上述有线和无线连接外，还可以采用基于Internet广域网的连接方式。

经过本实施例的具体实施，本发明所提系统的信息采集模块的各类传感器及视频采集单元可以实现灵活的信息采集、接入及可靠的数据传输，从而有效提升了现有水声环境系统的监测性能。

实施例2

如附图3所示，本实施例阐述的是本发明一种水声环境监测的无线通信系统与方法在水体表面或者浅水域的通信连接关系示意图。

从图3可以看出，信息采集模块被水下固定装置固定，其内部的视频采集单元、盐度传感器、水温传感器、水密度传感器、湿度传感器、速度传感器、光照强度传感器以及水质传感器测量搜集视频、水温、盐度、密度、湿度、速度、光照强度、水质各种信息，经过采集处理单元处理，再通过传感器通信单元，经各种有线或无线通信方式将测量得到的数据传送到浮台接入节点。

由于在水体表面或者浅水域进行信息采集，信息采集模块中各传感器采集到的信息可以通过RS232及RS485为主的串行线缆传输给采集处理单元处理；在需要大量采集视频信息的水域，信息采集模块中的视频采集单元也可以与光纤进行连接，将拍摄的视频信息传输给采集处理单元处理。

信息采集模块中采集的视频及传感器信息经处理后，再通过实施例1中所述的各种有线和无线方式与浮台接入节点之间进行高效的信息传输。

实施例3

本发明在具体实施过程中，一种水声环境监测的无线通信方法，具体实施时并不一定严格按照步骤一至步骤五所述的操作，依据各模块功能可以有很多种具体实施方式。

例如：当服务器设备中的数据库及后台处理模块预测出未来三个月时间段内，某一片海域的100至3000米深的环境内将有水温、水密度以及水质的较大变动；则可以采取从服务器设备顶层对底层各设备的调用过程和操作方式，其简单信息传输示意图如图4所示。

具体包括如下步骤：

步骤A、服务器设备中后台处理模块对数据库中存储的历史数据进行分析，得出某海域水体需要进行密集时间及密集设备布置的监测，通过服务器通讯模块广播信息给当前海域的岸上基站，由图4可以看出，当前海域的岸上基站一共有K个，K＞1；

步骤B、接收到步骤A信息的岸上基站会根据接收的信息，搜索本领域内的浮台接入节点，并与这些浮台接入节点建立通信联系；

具体的，以岸上基站i为例，由图4可以看出，一共有M个浮台接入节点接收到了信息，并与之握手，建立了通信联系；

步骤C、经步骤B与岸上基站i建立通信联系的各个浮台接入节点，再搜索本覆盖范围内的信息采集模块，并经过握手，控制其中视频采集单元采集视频图像，控制传感器采集各种信息；

其中，由图4可以看出，浮台接入节点覆盖范围的信息采集模块为S个；

步骤D、经步骤C采集到的各种信息，再经过处理，经实施例1中的各种无线或有线连接方法传输给浮台接入节点；

步骤E、浮台接入节点接收到步骤D传输的信息后，再经其中的浮台通信单元传输给岸上基站；

步骤F、岸上基站再将信息发送给服务器设备进行分析和存储；

至此，经过步骤A到步骤F，完成了本实施例具体实施本发明一种水声环境监测的无线通信方法，从服务器设备顶层对底层各设备的一个调用过程。

此外，依据发明主体中对于各模块功能的描述，例如：岸上基站及浮台接入节点均可以与信息采集模块通信的模式，可以进一步修改本实施例的操作为步骤D和步骤E可以并行执行，即：信息采集模块可以将信息传送给浮台接入节点，也可以将信息直接发送给岸上基站。

本发明还可以有更多的实施情况，例如：后台处理模块中可以增加视频显示及处理单元，以应对传感器信息以及采集的视频图像变化时能够及时显示出动态而直观的视频等相关采集信息，采集时间也会依据环境变化情况进行调整。

以上对本发明“一种水声环境监测的无线通信系统与方法”进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。实施例说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。