专利名称：基于无线传感器网络的水下生命搜救系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，属于无线通信领域。
背景技术：
水下无线传感器网络由大量具有计算和通信能力的传感器节点组成，各节点被分 布在指定的水域内部，能够通过自组织方式构成网络，执行连续的协同监测任务，该网络对 水下环境立体监测及遇险人员搜救具有重要的意义。由于在环境复杂多变，通信条件恶劣 的水下，无法采用固定或预设的网络设施进行通信；而水下传感器网络这种不依赖任何固 定网络设施、能快速布设的网络，毫无疑问的是对水下遇险人员进行定位搜救的最佳选择， 由于水下信道的复杂多变及声波在水中的传输特性，使得声波成为水下通信的信号首选。长期以来，水声通信使用的是模拟信号。由于在水中波浪、鱼类、船只等产生的各 种噪声，会使水中的声场极为混乱，导致声波在水中传递的同时产生多径干扰信号，使接收 信号模糊不清，通信效率和质量都要受到影响。目前的水下定位技术，例如我国首套水下 GPS高精度定位系统，由GPS卫星星座、差分GPS基准站、四个以上GPS浮标、安装在水下目 标或载体上的水下导航收发机、陆基或船基数据处理与监控中心、水上无线电通信链路、水 下水声通信链路组成，整套设备构成复杂，适用于有计划的水文勘测，导航以及大型工程作 业等用途。然而考虑到水上意外情况下人员失踪的突发性以及时间紧迫性，该系统首先无 法预先配备到每个船员的手中且随身携带，其次在事故发生后也需要长时间的准备工作进 行各组件的网络构建，往往错过了搜救的最佳时机，不利于搜救工作的及时展开。而且整套 设备成本也较高，不利于大规模推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在船舶遇险时快速高效定位遇险人员位置信息， 并且及时搜救遇险人员的基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，不仅结构简单，而且 生产成本低。为了达到上述目的，本发明的技术方案是一种基于无线传感器网络的水下生命 搜救系统，其创新点在于包括控制中心、浮标节点装置、船载基站和水下节点装置，所述水 下节点装置通过水声通信方式将信息发射至浮标节点装置和船载基站，浮标节点装置与船 载基站分别将接收到的信息通过无线通信方式发送至控制中心。在上述技术方案中，所述浮标节点装置包括太阳能电池板、第一 GPRS模块、第一 控制模块、解调模块、滤波模块、自动增益控制模块、第一功放模块和接收换能器，太阳能电 池板同时与第一 GPRS模块、第一控制模块、解调模块、自动增益控制模块和第一功放模块 电连接，第一 GPRS模块与第一控制模块通信连接，接收换能器的输出端与第一功放模块的 输入端电连接，第一功放模块的输出端与自动增益控制模块的输入端电连接，自动增益控 制模块的输出端与滤波模块的输入端电连接，滤波模块的输出端与解调模块的输入端电连 接，解调模块的输出端与第一控制模块的输入端电连接，第一 GPRS模块通过无线传输将信
4息送至控制中心。在上述技术方案中，所述船载基站包括第二控制模块、第二 GPRS模块、第一电源 模块、上位机和3个水下节点，第一电源模块同时与第二控制模块和第二 GPRS模块电连接， 第二控制模块同时与第二 GPRS模块、上位机和3个水下节点通信连接，第二控制模块接收 3个水下节点输出的定位信息，且将定位信息通过第二 GPRS模块无线发送至控制中心。在上述技术方案中，所述水下节点装置包括第二电源模块、入水检测模块、第三控 制模块、调制模块、第二功放模块和发射换能器，所述第二电源模块分别与入水检测模块、 第三控制模块、调制模块和第二功放模块电连接，入水检测模块的输出端与第三控制模块 的输入端电连接，第三控制模块的输出端与调制模块的输入端电连接，调制模块的输出端 与第二功放模块的输入端电连接，第二功放模块的输出端与发射换能器电连接。在上述技术方案中，所述浮标节点装置的第一控制模块中具有单片机且单片机为 ATMEGA128集成芯片，所述解调模块中具有解调芯片且解调芯片为锁相环芯片NE565，所述 自动增益控制模块中具有自动增益芯片且自动增益芯片为VCA810，所述第一功放模块中具 有功放集成芯片且功放集成芯片为TDA^22M集成芯片，所述接收换能器为HS/H25型号。在上述技术方案中，所述水下节点装置的入水检测模块包括二极管D1和电阻R3, 二极管D1负极与地电连接，电阻R3的一端与电源电连接。在上述技术方案中，所述水下节点装置4的第三控制模块4-3中具有单片机 4-3-1且单片机4-3-1为ATMEGAU8集成芯片，所述调制模块4_4中具有调制芯片且调制 芯片为锁相环芯片NE565，所述第二功放模块4-5中具有功放集成芯片且功放集成芯片为 TDA^22M集成芯片，所述发射换能器4-6为HS/T25型号。本发明的有益效果是采用上述结构后，由于本发明包括控制中心、浮标节点装 置、船载基站和水下节点装置，所述水下节点装置通过水声通信方式将信息发射至浮标节 点装置和船载基站，浮标节点装置与船载基站分别将接收到的信息通过无线通信方式发送 至控制中心，其中，水下节点装置是由船员随身携带，平时处于休眠状态，当船员落水后自 行进入工作状态，水下节点装置通过水声通信方式将产生的定位信息发射至浮标节点装置 和船载基站，有效避免了电信号在水下信道复杂恶劣的通信环境中引起的极大衰减，浮标 节点装置与船载基站将接收到的定位信息分别通过无线通信方式发送至控制中心，控制中 心将接收到水下节点装置的定位信息进行处理后告知搜救船只，即可对落水船员进行及时 搜救，本发明采用无线传感器网络技术来实现对水下复杂三维环境的定位，无线网络由便 携式水下节点装置和浮标节点装置构成，在事故发生时无线传感器网络立即展开工作并且 进行数据通信，节省宝贵的搜救时间，同时系统设备简便，实用性强，可实现实时、高效、准 确的水下定位，此外，本发明不仅结构简单，而且生产成本低，适用于大批量生产。
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的三维网络体系结构示意图； 图2是本发明的浮标节点装置的方框示意图3是本发明的浮标节点装置的太阳能电池板的电路原理图； 图4是本发明的浮标节点装置不包括太阳能电池板的具体一种电路原理图；图5是本发明的船载基站的方框示意图； 图6是本发明的水下节点装置的方框示意图； 图7是本发明的水下节点装置的第二电源模块的电路原理图； 图8是本发明的水下节点装置不包括第二电源模块的具体一种电路原理图； 图9是本发明的浮标节点装置发送以及处理数据的流程图。
具体实施例方式如图1、2、3、4、5、6、7、8、9所示，一种基于无线传感器网络的水下生命搜救系统， 包括控制中心1、浮标节点装置2、船载基站3和水下节点装置4，所述水下节点装置4通过 水声通信方式将信息发射至浮标节点装置2和船载基站3，浮标节点装置2与船载基站3分 别将接收到的信息通过无线通信方式发送至控制中心1。如图2、3、4、9所示，所述浮标节点装置2包括太阳能电池板2_1、第一 GPRS模块 2-2、第一控制模块2-3、解调模块2-4、滤波模块2-5、自动增益控制模块2_6、第一功放模块 2-7和接收换能器2-8，太阳能电池板2-1同时与第一 GPRS模块2_2、第一控制模块2_3、解 调模块2-4、自动增益控制模块2-6和第一功放模块2-7电连接，第一 GPRS模块2-2与第一 控制模块2-3通信连接，接收换能器2-8的输出端与第一功放模块2-7的输入端电连接，第 一功放模块2-7的输出端与自动增益控制模块2-6的输入端电连接，自动增益控制模块2-6 的输出端与滤波模块2-5的输入端电连接，滤波模块2-5的输出端与解调模块2-4的输入 端电连接，解调模块2-4的输出端与第一控制模块2-3的输入端电连接，第一 GPRS模块2-2 通过无线传输将信息送至控制中心1。所述浮标节点装置2使用时，将若干个浮标节点装置 2固定安置于水面上的浮标的底部，浮标节点装置2将接收到的定位信息通过第一 GPRS模 块2-2无线传输发送至控制中心1，所述第一 GPRS模块2-2的型号为MC_35i，而GPRS网络 的数据传输具有通信范围广，传输稳定可靠等特点，GPRS模块不仅具有多种工作模式，即支 持的工作模式有休眠模式、通话模式、空闲模式、掉电模式，而且理论传输速率高，最高支持 14. 4k非透明模式，接收速率可达到86. 201ibpS，发送速率可达到21. 51ibps。如图4所示，由于接收的水声信号往往能量起伏较大，因此需要在第一功放模块 2-7的输出端增加自动增益控制模块2-6，能够保证信号功率的稳定输出，以便后续将该信 号进行滤波以及信号解调，当自动增益控制模块2-6的输入端输入信号的幅度变化范围较 大时，调节自动增益芯片VCA810的增益，能够使得输出信号的幅度保持不变或只有很小的 变化；所述浮标节点装置2的滤波模块2-5主要设计为无源带通滤波器，其过滤频带中心为 30kHz，在系统中主要起降低噪声，滤除带外干扰以提高整机稳定性的作用；所述浮标节点 装置2的第一控制模块2-3中具有单片机2-3-1且单片机2-3-1为ATMEGAU8集成芯片， 所述解调模块2-4中具有解调芯片且解调芯片为锁相环芯片NE565，所述自动增益控制模 块2-6中具有自动增益芯片且自动增益芯片为VCA810，所述第一功放模块2-7中具有功放 集成芯片且功放集成芯片为TDA^22M集成芯片，接收换能器2-8优先选用宜昌海声科技有 限公司生产，且型号为HS/H25的接收换能器，其中，解调模块2-4中具有的解调芯片为锁相 环芯片NE565具有频谱稳定，抗噪性强的特点，可以有效解决水声通信中的信号干扰问题。如图3、8、9所示，所述水下节点装置4与浮标节点装置2之间通过水下节点装置4 的发射换能器4-6和浮标节点装置2的接收换能器2-8完成数据的单向发送与接收，其中水下节点装置4定时产生定位信息(定时间隔为ls)，间隔时间由水下节点装置4的第三控 制模块4-3中具有的单片机4-3-1控制产生，浮标节点装置2将接收到的定位信息通过第 一 GPRS模块2-2发送到控制中心1，浮标节点装置2启动后首先进行初始化和时间同步， 然后向控制中心1发送连接请求，等到连接请求通过，就向控制中心1发送身份认证信息， 要是身份没有认证就断开连接，重新启动新的连接，一旦身份认证通过就可以向控制中心1 发送包含定位信息的数据包，若数据包成功发送到控制中心1，则控制中心1向浮标节点装 置2返回成功确认帧，若浮标节点装置2没有收到确认帧，则认为数据在传输过程中发生了 错误或者丢失，将再次发送，若浮标节点装置2连续发送10次仍然失败，则断开连接，重新 建立新的连接，浮标节点装置2对控制中心1发送给自己的数据首先通过差错控制判断数 据是否正确，对于错误数据直接丢弃，正确数据就进行分析处理，如果数据是控制命令，则 根据命令作出相应的响应，所述浮标节点装置2发送数据的打包格式是自定义的，一个数 据包中包括浮标节点装置的编号、数据发送时间、定位信息内容，即控制中心1通过无线输 出方式收到浮标节点装置2所收到的数据为
DATA A01:T080203 R030028 A02:T093121 R030029......
其中，“A01”和“A02”是浮标节点装置的编号，“T080203”和“T093121”是浮标节点装 置发送数据的时间，“R030028”和“R030029”是相应水下节点装置的定位信息。如图5所示，所述船载基站3包括第二控制模块3-1、第二 GPRS模块3_2、第一电 源模块3-3、上位机3-4和3个水下节点3-5，第一电源模块3_3同时与第二控制模块3_1 和第二 GPRS模块3-2电连接，第二控制模块3-1同时与第二 GPRS模块3_2、上位机3_4和 3个水下节点3-5通信连接，第二控制模块3-1接收3个水下节点3-5输出的定位信息，且 将定位信息通过第二 GPRS模块3-2无线发送至控制中心1。如图6、7、8所示，所述水下节点装置4包括第二电源模块4-1、入水检测模块4_2、 第三控制模块4-3、调制模块4-4、第二功放模块4-5和发射换能器4-6，所述第二电源模块 4-1分别与入水检测模块4-2、第三控制模块4-3、调制模块4-4和第二功放模块4_5电连 接，入水检测模块4-2的输出端与第三控制模块4-3的输入端电连接，第三控制模块4-3的 输出端与调制模块4-4的输入端电连接，调制模块4-4的输出端与第二功放模块4-5的输 入端电连接，第二功放模块4-5的输出端与发射换能器4-6电连接。如图8所示，所述水下节点装置4的第三控制模块4-3中具有单片机4-3-1且单 片机4-3-1为ATMEGAU8集成芯片，所述调制模块4_4中具有调制芯片且调制芯片为锁相 环芯片NE565，所述第二功放模块4-5中具有功放集成芯片且功放集成芯片为TDA^22M集 成芯片，所述发射换能器4-6优先选用宜昌海声科技有限公司生产，且型号为HS/T25的发 射换能器。如图8所示，所述水下节点装置4的入水检测模块4-2包括二极管D1和电阻R3, 二极管D1负极与地电连接，电阻民的一端与电源电连接。其中，若水下节点装置4在无 水环境中，入水检测模块4-2输出端输出为高电平，此时，第三控制模块4-3中具有的单片 机4-3-1，即ATMEGAU8集成芯片为掉电状态，以减少整个装置的系统功耗，当携带水下节 点装置4的船员落水后，入水检测模块4-2利用江水的导电性，二极管D1正极与电阻R3的 另一端呈导通状态，入水检测模块4-2输出低电平至第三控制模块4-3中单片机4-3-1的 ATMEGA128集成芯片外部中断接口 PDtl，且产生中断将控制模块4_3中的单片机4_3_1的ATMEGA128集成芯片从掉电状态唤醒，使得水下节点装置2自行进入工作状态。本发明的工作过程为本系统设计使用环境为长江，长江水深约75m，江面每隔 2km左右设有两个浮标，两浮标之间相距35m，浮标节点装置2固定安置于浮标下方深约^ii 处的水中，由于江面相邻两组浮标之间相隔较远，当水下节点装置4运动到两组浮标之间 的某段地带时会因与两组浮标节点间的距离均超过通信距离而产生一个定位信号接收的 盲区，此时移动着的船载基站3能够弥补信号盲区，船载基站3的3个水下接收节点3-5将 接收的定位信息，通过第二 GPRS模块3-2送至控制中心1进行处理。其中，船载基站3的 3个水下接收节点3-5的结构与浮标节点装置2相同，在此不多做阐述。当携带水下节点装置4的船员落水后，入水检测模块4-2利用江水的导电性，二极 管D1正极与电阻R3的另一端呈导通状态，入水检测模块4-2输出低电平至单片机4-3-1的 ATMEGA128集成芯片外部中断接口 PD。，且产生中断将单片机4_3_1的ATMEGAU8集成芯片 从掉电状态唤醒，使得水下节点装置4自行进入工作状态，水下节点装置4将产生的定位信 息通过发射换能器4-6以水声通信方式送至浮标节点装置2的接收换能器2-8和船载基站 3，所述浮标节点装置2和船载基站3将接收到的定位信息分别通过无线通信方式发送至控 制中心1，然后控制中心1将接收到水下节点装置4的定位信息进行处理后告知搜救船只， 即可对落水船员进行及时搜救。
权利要求
1.一种基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其特征在于包括控制中心(1)、浮 标节点装置(2)、船载基站(3)和水下节点装置(4)，所述水下节点装置(4)通过水声通信方 式将信息发射至浮标节点装置(2)和船载基站(3)，浮标节点装置(2)与船载基站(3)分别 将接收到的信息通过无线通信方式发送至控制中心(1)。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其特征在于所 述浮标节点装置(2)包括太阳能电池板(2-1)、第一 GPRS模块(2-2)、第一控制模块(2-3)、 解调模块(2-4)、滤波模块(2-5)、自动增益控制模块(2-6)、第一功放模块(2-7)和接收换 能器(2-8)，太阳能电池板(2-1)同时与第一 GPRS模块(2-2)、第一控制模块(2-3)、解调模 块(2-4 )、自动增益控制模块(2-6 )和第一功放模块(2-7 )电连接，第一 GPRS模块(2_2 )与 第一控制模块(2-3)通信连接，接收换能器(2-8)的输出端与第一功放模块(2-7)的输入端 电连接，第一功放模块(2-7)的输出端与自动增益控制模块(2-6)的输入端电连接，自动增 益控制模块(2-6)的输出端与滤波模块(2-5)的输入端电连接，滤波模块(2-5)的输出端与 解调模块(2-4)的输入端电连接，解调模块(2-4)的输出端与第一控制模块(2-3)的输入端 电连接，第一 GPRS模块(2-2 )通过无线传输将信息送至控制中心(1)。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其特征在于所 述船载基站(3)包括第二控制模块(3-1)、第二 GPRS模块(3-2)、第一电源模块(3-3)、上 位机(3-4)和3个水下节点(3-5)，第一电源模块(3-3)同时与第二控制模块(3_1)和第二 GPRS模块(3-2)电连接，第二控制模块(3-1)同时与第二 GPRS模块(3-2)、上位机(3-4)和 3个水下节点(3-5)通信连接，第二控制模块(3-1)接收3个水下节点(3-5)输出的定位信 息，且将定位信息通过第二 GPRS模块(3-2 )无线发送至控制中心(1)。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其特征在于所 述水下节点装置(4)包括第二电源模块(4-1)、入水检测模块(4-2)、第三控制模块(4-3)、 调制模块(4-4)、第二功放模块(4-5)和发射换能器(4-6)，所述第二电源模块(4-1)分别 与入水检测模块(4-2)、第三控制模块(4-3)、调制模块(4-4)和第二功放模块(4-5)电连 接，入水检测模块(4-2)的输出端与第三控制模块(4-3)的输入端电连接，第三控制模块 (4-3)的输出端与调制模块(4-4)的输入端电连接，调制模块(4-4)的输出端与第二功放模 块(4-5)的输入端电连接，第二功放模块(4-5)的输出端与发射换能器(4-6)电连接。
5.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其特征在于 所述浮标节点装置(2)的第一控制模块(2-3)中具有单片机(2-3-1)且单片机(2-3-1) SATMEGAUS集成芯片，所述解调模块(2-4)中具有解调芯片且解调芯片为锁相环芯片 NE565，所述自动增益控制模块(2-6)中具有自动增益芯片且自动增益芯片为VCA810，所述 第一功放模块(2-7)中具有功放集成芯片且功放集成芯片为TDAW22M集成芯片，所述接收 换能器(2-8)为HS/H25型号。
6.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其特征在于所 述水下节点装置(4)的入水检测模块(4-2)包括二极管D1和电阻民，二极管D1负极与地电 连接，电阻R3的一端与电源电连接。
7.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其特征在于 所述水下节点装置(4)的第三控制模块(4-3)中具有单片机(4-3-1)且单片机(4-3-1) SATMEGAUS集成芯片，所述调制模块(4-4)中具有调制芯片且调制芯片为锁相环芯片NE565，所述第二功放模块(4-5)中具有功放集成芯片且功放集成芯片为TDA^22M集成芯 片，所述发射换能器(4-6)为HS/T25型号。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线传感器网络的水下生命搜救系统，其创新点在于包括控制中心、浮标节点装置、船载基站和水下节点装置，所述水下节点装置通过水声通信方式将信息发射至浮标节点装置和船载基站，浮标节点装置与船载基站分别将接收到的信息通过无线通信方式发送至控制中心。本发明能够在船舶遇险时快速高效定位遇险人员位置信息，并且及时搜救遇险人员，此外，本发明不仅结构简单，而且生产成本低。
文档编号H04W84/18GK102088659SQ20101060505
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月26日 优先权日2010年12月26日
发明者刘宴佳, 张瑞, 江冰, 胡钢 申请人:河海大学常州校区