一种基于北斗传输的水下信标系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及水下信息通信技术领域，特别涉及了一种基于北斗传输的水下信标系统及其控制方法。


背景技术：

2.海洋研究所是负责研究海洋环境，寻找合适场地，给海上风力发电提供沿海区域内，海洋综合数据的研究单位。他们对于指定区域内的海水流速、波浪情况，气象环境、水位深度、潮位等综合信息，需要长年记录。投入到海底的测量设备，相比于海上的浮标设备，安全度更高。
3.但是，布局在海洋海底的水下测量设备，最怕中途被人异常打捞，使得设备丢失，无法找到，测量数据不能得到，前功尽弃。特别是一些考察海洋流速、海洋波浪、地震检测、海底声波检测等专业数据，需要长时间，甚至几年布局，仪器十分昂贵，一旦丢失，损失比较大。
4.另一方面，水下作业设备对于我们了解海洋，开发海洋，保护海洋，防灾减灾和保卫国家主权起着重要作用。在我们对海洋进行探索的过程中，水下作业仪器采集的大量数据需要及时回收。如水下自主潜航器这类的仪器，通常采用水下自主潜航器整体回收，即水下自主潜航器被打捞出水，吊放在甲板上，打开水下自主潜航器壳体，取出数据舱更换新数据舱或者利用有线/无线方式将数据直接导入上位机中。水下自主潜航器整体回收和再部署过程较长，作业复杂，耗时费力，成本不菲。而且在很多实际应用中，水下作业仪器往往由于自身故障或者外力碰撞等客观原因，导致无法上浮打捞，使得采集的重要数据无法回收，给企业和国家造成重大损失。
5.为了防止水下测量设备丢失，被人异常打捞的情况，同时便于水下测量设备回收，特别给水下测量设备增加北斗水下信标，与测量设备捆绑在一起。一旦出水，立即通过北斗报警，并且给出位置信息，方便设备寻找，保证设备不容易丢失。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中水下测量设备易丢失、导致水下测量数据无法得到的问题，提供了一种基于北斗传输的水下信标系统及其控制方法，能够在水下测量设备露出水面时进行报警，并提供位置信息，方便水下测量设备寻找，保证水下测量设备不容易丢失。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于北斗传输的水下信标系统，包括： 信标以及与信标连接的上位机，所述信标包括防水外壳以及安装在防水外壳内的本体，所述本体包括：传感单元，用于获取水下测量设备压力数据以及水温，并将获取的压力数据以及水温发送至控制单元；控制单元，用于根据传感单元获取的数据计算水位深度，判断水下测量设备是否
露出水面，对外部数据进行配置；北斗单元，用于根据控制单元的控制信号获取水下测量设备的定位数据，将获取的定位数据反馈回控制单元；供电单元，用于为控制单元和北斗单元提供工作电源。
8.上位机与北斗单元进行通信，实现实时跟踪监测，并与控制单元进行通信，实现外部数据配置。具体表现为，在水面时，通过北斗单元的北斗发送模块发送数据到北斗接收模块，再由上位机通过北斗接收模块接收北斗信标信息，进行实时跟踪监测。控制单元主要采用单片机控制，并使用超低功耗的单片机系列，控制单元还可以在水下测量设备露出水面时发送报警信息，报警信息通过北斗单元进行传送。
9.系统在运行过程中，传感单元一旦检测完毕，立马关闭传感单元电源，以免增加功耗；对其它外部设备也一样，不用时必须可以关闭电源，从而保证睡眠时，整个系统低功耗。北斗单元安装时，注意天线周边不能有金属物件靠近，否则会影响天线性能，甚至影响北斗通讯。
10.作为优选，所述控制单元包括外围接口及驱动电路以及用于作为系统总控，控制各个单元协同工作的mcu控制电路。外围接口及驱动电路，主要包括rs232电平转换，ldo控制各种芯片的供电，睡眠时，将全部外围芯片断电。
11.作为优选，所述外围接口及驱动电路包括外围电路以及：电平转换电路，用于在各个不同的单元之间，实现高低电平的转换；ldo控制电路，用于根据mcu控制电路的控制信号，控制外围电路的供电。
12.作为优选，所述外围电路包括：时钟单元，用于定时唤醒传感单元、北斗单元以及外部设备；电压检测单元，用于检测电池供电电压，判断供电电压是否下降；充电检测单元，用于检测电池充电状态；磁开关开机单元，用于触发供电模块，使系统运行。
13.本系统以磁开关作为电源开机信号，用磁铁靠近磁开关开机单元，使其瞬间短路，触发电源开启。电源开启以后，控制单元开始运行。
14.作为优选，所述供电单元包括电池以及：充电电路，用于对电池进行充电；dcdc降压电路，采用低功耗降压芯片，用于对电池提供的电压进行降压。
15.系统有多个电路，需要用到5v和3.3v电压，因此，锂电电池的12v电压需要通过dcdc降压电路，来实现降压，而且，降压电路本身的功耗必须越小越好，这个是低功耗技术的核心和关键。通过对大量不同降压芯片的筛选和测试，芯片lmr14030是比较合适的芯片，输出电流达3a，自身功耗不到1ma。本系统还兼容移动网络dtu模式的通信，增加移动网络供电。在信标测试或回收时，需要对信标进行充电，增加内部充电电路。
16.作为优选，所述供电单元还包括：dcdc升压电路，用于在电池电压下降时，对提供给北斗模块的电压进行升压。本系统由于电池供电，电池在供电过程中电压会越来越低；为了保证北斗单元正常工作和正常发送数据，需要对北斗单元增加一个dcdc升压电路，保证电池电压下跌时，供给北斗单元的电源依然稳定输出。北斗不需要工作时，需要对升压电路以及北斗单元电源一起关闭。
17.一种基于北斗传输的水下信标系统的控制方法，包括以下步骤：s1：对系统参数进行配置与修改；s2：获取定位信息，以地图形式确定水下测量设备位置；s3：采集水位信息，判断水下测量设备是否漏出水面；s4：获取步骤s3中的数据，并对获取的数据进行解析，存入数据库。
18.系统参数包括休眠时间、水深阈值以及站点参数等；通过配置站点参数，进行指令交互。还可以根据获取的数据绘制走势图，可以更加直观的看出数据的变化。还能在系统故障时进行报警，数据异常时实时推送的报警信息可以让负责人随时知道信标是否故障。
19.作为优选，所述步骤s2进一步表示为：s2.1：获取区域地图信息，建立地图数据库；s2.2：确定定位信息在地图上相对应的区域范围；s2.3：在所述区域范围内确定与定位信息相对应的位置。
20.同时在地图上标记回收人员的位置，建立合理的路线，对水下测量设备进行回收。
21.作为优选，所述步骤s3的具体步骤为：s3.1：获取水下压力数据，并将压力数据转化为水位数据；s3.2：判断步骤s3.1得到的水位数据是否大于阈值；s3.3：若大于阈值，则说明水下测量设备在水下，进入休眠模式，并设置定时唤醒；若小于阈值，则说明水下测量设备露出水面，获取定位信息，发送报警信息，进入休眠模式，并设置定时唤醒。
22.根据水深阀值进行判断，目前信标设备是处于水下还是水面；如果处于水下，则进入睡眠模式，定时10分钟（睡眠时间可配置）唤醒检测。如果处于水面，则打开北斗单元，读取定位数据；同时将定位及报警信息发送出去；然后关闭北斗单元，进入休眠状态，等待10分钟（睡眠时间可配置）时间再唤醒。
23.作为优选，所述步骤s4中，还包括对存储的数据进行导出：s4.1：请求端发送请求导出命令与控制参数；s4.2：接收端接收请求导出命令，解析该命令与参数，通过连接参数连接数据库，并将其他参数设置为本次导出的属性，发送总数据信息给请求端；s4.3：请求端收到总信息后，发送数据请求，选择相应的导出策略，选择导出格式。
24.s4.4：接收端收到数据请求后，一帧一帧发送文本数据。
25.每帧内容以回车换行结束。每帧内容中数据与数据之间，以制表符\t隔开。帧与帧间隔时间100ms。
26.因此，本发明具有如下有益效果：1、能够在水下测量设备露出水面时进行报警，并提供位置信息，方便水下测量设备寻找，保证水下测量设备不容易丢失；2、能够实现超低功耗待机，并且在电池电压比较低时，北斗单元仍能正常发送数据。
附图说明
27.图1是本发明中信标系统的系统结构示意图。
28.图2是本发明中电压检测单元的电路结构示意图。
29.图3是本发明中磁开关开机单元的电路结构示意图。
30.图4是本发明中充电电路的电路结构示意图。
31.图5是本发明中dcdc降压电路的电路结构示意图。
32.图6是本发明中dcdc升压电路的电路结构示意图。
33.图7是本发明中控制方法的步骤流程图。
34.图中：1、传感单元；2、控制单元；3、北斗单元；4、供电单元；5、信标；6、上位机。
具体实施方式
35.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：实施例一：本实施例为一种基于北斗传输的水下信标系统，如图1所示，包括信标5以及与信标连接的上位机6，信标包括防水外壳以及安装在防水外壳内的本体，本实施例要求外壳防水要求为水下300米不会漏水、渗水；防水等级ip65；信标水下待机时间需要超过一年，水上工作时间能连续一个星期以上较好。
36.其中，本体包括用于获取水下测量设备压力数据以及水温，并将获取的压力数据以及水温发送至控制单元的传感单元1；用于根据传感单元获取的数据计算水位深度，判断水下测量设备是否露出水面，对外部数据进行配置的控制单元2；用于根据控制单元的控制信号获取水下测量设备的定位数据，将获取的定位数据反馈回控制单元的北斗单元3；用于为控制单元和北斗单元提供工作电源的供电单元4。
37.上位机用于与北斗单元进行通信，实现实时跟踪监测，并与硬件控制单元进行通信，实现外部数据配置。
38.控制单元主要采用单片机控制，并使用超低功耗的单片机系列，控制单元还可以在水下测量设备露出水面时发送报警信息，报警信息通过北斗单元进行传送。
39.本实施例中传感单元为压力传感器，依照测量环境选用压力传感器，测量水中压力值，并转换为深度值，测量深度精度大约10mm。压力传感器探头为i2c接口，全数字探头，水下要求最大水深支持300米，可同时获取压力大小和水温大小；500米水深不会损坏传感器。
40.北斗单元安装时，注意天线周边不能有金属物件靠近，否则会影响天线性能，甚至影响北斗通讯。
41.使用时，控制单元通过与压力传感器和北斗单元通信，来计算当前水位压力，转化为对应水深。北斗单元获取定位数据，在水面时，通过北斗单元的北斗发送端，发送数据到北斗接收端，从而通过上位机接收北斗信标信息，进行实时跟踪监测。
42.具体的：控制单元包括外围接口及驱动电路以及mcu控制电路，mcu控制电路包括mcu主控制器芯片，本实施例中，mcu主控制器芯片是stm32l151，主频120m，睡眠功耗在ua级，有4个串行接口，2个i2c接口，支持sd卡和在线编程。
43.外围接口及驱动电路，主要包括rs232电平转换，ldo控制各种芯片的供电，睡眠时，将全部外围芯片断电。外部时钟芯片提供精准时钟，外围接口及驱动电路还提供电池电压检测，充电检测、北斗通讯接口、外部磁开关开机、压力传感器等功能。
44.具体的，外围接口及驱动电路包括：用于定时唤醒传感单元、北斗单元以及外部设
备的时钟单元；用于检测电池供电电压，判断供电电压是否下降的电压检测单元，如图2所示；用于检测电池充电状态的充电检测单元；用于触发供电模块，使系统运行的磁开关开机单元，如图3所示。
45.工作时，本系统以磁开关作为电源开机信号，用磁铁靠近磁开关开机单元，使其瞬间短路，触发电源开启。电源开启以后，控制单元开始运行。控制单元运行过程中，将实时检测并读取压力传感器的压力数据，并将压力数据转换成水深数据。控制单元根据水深阀值进行判断，目前信标设备是处于水下还是水面；如果处于水下，则进入睡眠模式，定时10分钟（睡眠时间可配置，利用时钟单元进行配置）唤醒检测。如果处于水面，则打开北斗单元，读取定位数据，同时将定位及报警信息发送出去；然后关闭北斗单元，进入休眠状态，等待10分钟（睡眠时间可配置，利用时钟单元进行配置）时间再唤醒。
46.系统在运行过程中，压力传感器一旦检测完毕，立马关闭压力传感器电源，以免增加功耗，对其它外部设备也一样，不用时必须可以关闭电源，从而保证睡眠时，整个系统低功耗。
47.本系统提供电池充电电路，外部只需提供15v稳压电源，即可对信标内部锂电进行充电，方便信标再次使用。为保证电池在工作时，电池电压下降，但是北斗供电依然正常，需要升压电路；本设计还兼容移动网络dtu模式的通信，增加移动网络供电。在信标测试或回收时，需要对信标进行充电，增加内部充电电路。
48.下面对供电单元做进一步说明：供电单元主要由电池、电池充电电路和dcdc降压电路、dcdc升压电路等组成。电池充电电路与电池连接，dcdc降压电路与各需要低电压的单元连接，dcdc升压电路与北斗单元连接。
49.本实施例中，采用2600mah锂电池提供系统供电，使用时间足够；并考虑外出作业情况，配置外部充电器，以方便测量和充电。
50.本实施例中，充电芯片cn3763及外围器件组成充电电路，如图4所示，外部15v输入，通过mos管控制，对12v锂电池进行充电，有两个指示灯指示，一个指示灯是正在充电，另一个是已经充满。
51.本系统的控制单元由多个电路组成，需要用到5v和3.3v电压，因此，锂电电池的12v电压需要通过dcdc降压电路，来实现降压，dcdc降压电路如图5所示。同时，降压电路本身的功耗必须越小越好，这个是低功耗技术的核心和关键。通过对大量不同降压芯片的筛选和测试，本实施例采用的芯片lmr14030是比较合适的芯片，其输出电流达3a，自身功耗不到1ma。
52.本系统由于锂电池供电，在使用过程中，电池电压随时间延长，电压会下降，越来越小，不能保持在12v。而北斗单元，因为无线发射功率的需要，其输入电压需要保持12v稳定不变，否则，发送可能失败。为此，针对北斗单元，必须解决dcdc升压的问题。为了保证北斗通讯模块正常工作和正常发送数据，需要对北斗模块增加一个dcdc升压电路，保证电池电压下跌时，供给北斗模块的电源依然稳定输出。这个也是系统能够稳定工作并及时报警的核心技术。同时，北斗单元不需要工作时，需要对升压电路以及北斗单元电源一起关闭。
53.dcdc升压电路如图6所示，本实施例采用lm2587升压芯片，保证北斗模块供电不低于3a，可以达到有效供电。
54.本实施例还提供了一种基于北斗传输的水下信标系统的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：第一步，对系统参数进行配置与修改；第二步，获取定位信息，以地图形式确定水下测量设备位置；第三步，采集水位信息，判断水下测量设备是否漏出水面；第四步，获取第三步中的数据，并对获取的数据进行解析，存入数据库。
55.下面对本技术的控制方法做进一步说明：第一步：对系统参数进行配置与修改。
56.系统参数包括休眠时间、水深阈值以及站点参数等；通过配置站点参数，进行指令交互。还可以根据获取的数据绘制走势图，可以更加直观的看出数据的变化。还能在系统故障时进行报警，数据异常时实时推送的报警信息可以让负责人随时知道信标是否故障。
57.第二步：获取定位信息，以地图形式确定水下测量设备位置。
58.获取区域地图信息，建立地图数据库；确定定位信息在地图上相对应的区域范围；在所述区域范围内确定与定位信息相对应的位置。同时在地图上标记回收人员的位置，建立合理的路线，对水下测量设备进行回收。
59.第三步：采集水位信息，判断水下测量设备是否漏出水面。
60.获取水下压力数据，并将压力数据转化为水位数据；判断得到的水位数据是否大于预设的水位阈值；若大于阈值，则说明水下测量设备在水下，进入休眠模式，并设置定时唤醒；若小于阈值，则说明水下测量设备露出水面，获取定位信息，发送报警信息，进入休眠模式，并设置定时唤醒。
61.第四步：获取第三步中的数据，并对获取的数据进行解析，存入数据库。
62.请求端发送请求导出命令与控制参数； 接收端接收请求导出命令，解析该命令与参数，通过连接参数连接数据库，并将其他参数设置为本次导出的属性，发送总数据信息给请求端，总数据信息包括总条数，站点编号等；请求端收到总信息后，发送数据请求，选择相应的导出策略，选择导出格式。多种导出格式可供选择，用户可以选择自己需要的格式导出。接收端收到数据请求后，一帧一帧发送文本数据。每帧内容以回车换行结束。每帧内容中数据与数据之间，以制表符\t隔开。帧与帧间隔时间100ms。
63.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。