通信系统的制作方法

本发明涉及一种通信系统，具体涉及一种由通信单元集群形成的水下通信系统。

背景技术：

随着数据通信成为现代世界中越来越重要的一部分，在所有环境中实施有用数据通信的有效方法也越来越重要。

在过去的十年中，由于使用电磁数据携带信号通过流体进行的数据传输技术的发展，水下数据通信或通过水进行数据通信的能力得到了提高。另外，包括使用电磁数据信号传输、声学数据信号传输或光学数据信号传输中的一种或多种的混合系统的数据通信技术也变得越来越普遍。通信系统与现有基础设施进行集成以提供数据功能、控制功能和命令功能(或者作为正在进行的实时通信或用于数据收集和检索)，扩展了水下通信系统的实用性。但是，水下系统的实施仍然会受到部署该系统的环境的限制。水对电子组件和机械组件的破坏作用会缩短系统的寿命。

实现防水连接器的困难在待部署在水下的多组件系统的设计中产生了固有的弱点。此外，在水下环境中长期进行功率供应是一个问题。电缆连接的安装和制造成本高昂，并且由于电缆连接相对脆弱且容易损坏，因此在系统中存在其他弱点。电池的寿命有限，在水下环境中换出电池系统或将整个系统回收到顶侧以更换电池的成本是昂贵的并且是一项复杂的任务。

技术实现要素：

本发明的目的是克服或缓解前述问题中的至少一个。

根据本发明的第一方面，提供了一种通信系统，该通信系统包括：通信单元，该通信单元具有本地无线通信机构、远程无线通信机构、处理器和电源；以及至少一个传感器单元，该至少一个传感器单元具有传感器机构、本地无线通信机构和电源，其中，通信单元和至少一个传感器单元中的每一个被设置在分立式壳体中并且被布置成与每个其他单元邻近以形成集群，使得每个本地无线通信机构能够将数据传递到集群内的每个其他本地无线通信机构，并且通信单元的远程无线通信机构可操作为在集群以外进行通信。

通过将传感器单元和通信单元布置在集群中，使得传感器单元和通信单元的本地无线通信机构能够在系统的集群内相互传输数据。另外，远程无线通信机构意味着通信单元可操作为代表集群与外界进行通信。该通信功能使得在集群内传输数据的操作能够在较低的功率水平下进行，从而在集群的各个单元内保持更长的电池寿命，而在需要时能够消耗功率以进行数据的长期远程传输。

每个分立式壳体可以是防水壳体。通过设置防水单元壳体，系统可以被部署在难以到达的位置，这些位置可能会遭受极端条件，而集群和系统仍然可以运作。

该通信系统可以是水下通信系统。防水的分立式壳体意味着形成集群的单元可以在水下运作，因此该系统可以被部署在水下环境中。

该通信系统可以包括至少两个传感器单元。每个传感器单元可以具有温度传感器、加速度计、压力传感器、流量计、振动监测器、声学传感器、光学传感器、腐蚀监测传感器、应变传感器、完整性传感器、氧气水平传感器等中的一个或多个的功能。通过在传感器单元内或集群内并入一种以上的传感器类型，可以收集与正在监测的环境有关的更多数据。

该通信系统可以包括一个以上的传感器单元，该传感器单元具有给定类型的功能。通过对传感器功能进行复制，系统能够提供冗余，从而对任何给定的传感器单元的潜在故障进行补偿。提供多个复制的功能单元并因此提供raid架构、阵列或冗余传感器可以提高处理和分析能力。

该通信系统可以包括一个以上的通信单元。通过提供一个以上的通信单元，为通信系统提供了冗余，从而确保了通信单元的故障不会导致通信系统的数据完全丢失或无法与通信系统进行通信。

每个通信单元和/或每个传感器单元可以包括功率传输系统，以在单元之间感应地传输功率。通过提供功率传输系统，可以在系统内对单元之间的功率供应的均衡进行管理，以延长系统的寿命。

每个传感器单元可以包括本地处理器机构。通过在每个传感器内设置本地处理器机构，传感器单元可以对感测到的数据起作用以使需要传输的数据减至最少，从而潜在地进一步降低了在本地进行数据传输所需的功率。

通信系统可以进一步包括框架，该框架可操作为接纳通信单元和传感器单元中的每一个。框架使集群的各个单元能够相对于彼此保持在一个构造中，并作为集群的一部分被牢固地保持。

框架可以包括可操作为使电磁数据携带信号在本地通信机构之间进行传播的材料。通过以可操作为在本地通信机构之间传播电磁数据携带信号的材料构造框架，进一步降低了用于在本地通信机构之间进行数据传输的功率需求，从而进一步降低了各个单元和整个通信系统的运作功率需求。

替代地，每个通信单元和传感器单元壳体可以设置有多个固定机构，其中，每个固定机构可操作为与另一单元上的固定机构配合，使得这些单元可以被固定在一起以形成集群。通过在壳体上设置固定机构，每个单元可以与另一单元夹在一起，使得这两个单元可以在不需要外部框架的情况下被容纳在集群中。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于通信系统的框架，该框架包括多个凹部，每个凹部可操作为接纳通信单元或传感器单元中的一个，其中，多个凹部被布置成容纳彼此邻近的多个单元。

用于通信系统的框架使得各个通信系统单元能够被布置成集群，并且相对于彼此保持在一个构造中，并且被牢固地保持为集群的一部分。

框架可以包括可操作为使电磁数据携带信号在单元之间进行无线传播的材料。通过以可操作为在通信单元之间传播电磁数据携带信号的材料构造框架，降低了用于在单元之间进行数据传输的功率需求，从而降低了各个单元和整个通信系统的运作功率需求。

根据本发明的第三方面，提供了一种通信网络，该通信网络包括本发明的第一方面的通信系统以及移动通信单元，该移动通信单元可操作为与该通信系统进行通信并识别通信系统内的每个通信单元和传感器单元的状态。

移动通信可设置有至少一个传感器单元，其中，移动通信单元可操作为从通信系统中移除传感器单元，并且用移动通信单元中所设有的至少一个传感器单元来替换所移除的传感器单元。通过为移动通信单元提供至少一个备用的传感器单元，移动通信单元可以识别通信系统内的单元的状态，并将任何有缺陷的传感器单元与移动通信单元所携带的传感器单元进行交换。

移动通信单元可以设置有至少一个通信单元，其中，移动通信单元可操作为从通信系统中移除通信单元，并且用移动通信单元中所设有的至少一个通信单元来替换所移除的通信单元。通过为移动通信单元提供另外的一个或多个通信单元，移动通信单元可以识别通信系统内的单元的状态，并将任何有缺陷的通信单元与移动通信单元所携带的通信单元进行交换。

该通信网络可以进一步包括命令和控制中心。命令和控制中心能够指挥通信系统和移动通信单元作为网络来运作，管理电源和组件的运作，并确保对所需数据进行记录、处理并将其提供给命令中心以供进一步使用。

该通信网络可以进一步包括用户界面，该用户界面使用户能够查看通信系统的状态并响应于特定的状态输出来输入控制数据。

附图说明

现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的通信系统的示意性图示；

图2是根据本发明的另一实施例的通信系统的示意性图示；

图3是在本发明的通信系统的实施例中使用的通信单元的示意性图示；

图4a是在本发明的通信系统的实施例中使用的传感器单元的示意性图示；

图4b是在本发明的通信系统的实施例中使用的替代传感器单元的示意性图示；

图5a是根据本发明的通信网络的实施例的透视性图示；

图5b是本发明的通信网络的实施例的示意图；

图6是根据本发明的实施例的通信系统的横截面图；

图7是在本发明的实施例的通信网络中使用的用户界面的示意性表示；

图8是在本发明的实施例的通信网络中使用的用户界面的另一种表示；

图9是在本发明的实施例的通信网络中使用的用户界面的另一种表示；

图10是根据本发明的通信系统的另一实施例；

图11是根据本发明的通信系统的另一实施例；

图12是根据本发明的通信系统阵列的实施例；

图13是根据本发明的通信系统的另一实施例；

图14是根据本发明的通信系统的另一实施例的分解图，以及

图15是图14的通信系统的组装图。

具体实施方式

如图1所示，提供了一种通信系统10，该通信系统包括通信单元20和多个传感器单元30。

参照图3更加详细地示出了水下通信单元20，该水下通信单元20包括壳体21，在壳体内设置有本地通信机构(在这种情况下为高频电磁收发器22)、远程通信机构(在这种情况下为电磁收发器24，该电磁收发器的信号频率低于本地收发器22的信号频率)、处理器26和内部电源(在这种情况下为电池28)。处理器26具有生成命令和控制信号以及对从传感器单元30接收到的数据进行处理和分析的处理能力并被用作人工智能引擎。

传感器单元30的实施例在图4a中示出，其中，传感器单元30包括壳体31、传感器32和内部电源(在这种情况下为电池28)、以及本地通信机构(在这种情况下为高频电磁收发器22)。

在图1中，通信系统10设置有通信单元20和五个传感器单元(在这种情况下为单元30a至30d，存在两个传感器单元30a)。在该实施例中，传感器单元30a的传感器32是温度传感器。在传感器单元30b中，传感器32是加速度计。传感器单元30c的传感器32是振动监测器。传感器单元30d的传感器32是氧气水平传感器。

通信单元20以及每个传感器单元30a、30a、30b、30c和30d分别设置在防水的分立式壳体21、31中。单元20、30a、30a、30b、30c和30d彼此邻近地布置以形成单元集群11，使得每个本地收发器22可以使用高频电磁信号传输将数据无线地传递到单元集群11内的其他单元本地收发器22。通信单元远程收发器24可操作为使用与本地收发器相比频率较低的电磁信号传输与远程系统(未示出)进行无线通信。

应当理解，通信系统10可以是水下通信系统。如图1所示，通信系统10可以包括每种类型的单元30a、30b、30c中的至少两个，以提高操作弹性，因为数据集可以被复制并且处理器机构可以并行地运行以实现性能验证以及数据严谨性，并在任何单个单元发生故障时提供备份。在使用期间，这种整体冗余特别用于水下环境中，因为它提供了更鲁棒的通信系统和更鲁棒的数据采集，特别是在极端环境或难以访问的环境下。

每个本地收发器22可操作为使用无线高频电磁通信技术与每个其他本地收发器22进行无线通信，并且将理解的是，诸如为蓝牙频率范围的频率范围将是有用的。使用蓝牙传输使得能够对低功率的高数据速率通信(该低功率的高数据速率通信对于确保电池用电量是有用的)进行优化，这对于在防水的永久密封的壳体21、31中运作的单元20、30而言是一个很大的优势。还应理解，可以使用wi-fi传输范围来优化高数据传输速率，但这会消耗更多的电池功率。

应当理解的是，每个传感器单元30可以包括例如但不限于温度传感器、加速度计、压力传感器、流量计、振动监测器、声学传感器、光学传感器、腐蚀监测传感器、应变传感器、完整性传感器等中的一个或多个。

在图4b中，示出了传感器单元30的另一实施例，其中，传感器单元3包括壳体31、传感器32、内部电源(在这种情况下为电池28)、本地通信机构(在这种情况下为高频电磁收发器22)以及处理器26。在每个传感器单元30内提供处理器26使得能够对传感器32收集到的数据进行数据处理，从而能够通过本地通信机构22仅将相关或预定的数据传输到系统10内的其他单元，从而减少了与过度的数据传输相关联的电池功率消耗。

如图2所示，通信系统10可以设置有框架40。框架40设置有多个凹部41，每个凹部41可操作为接纳通信单元20或传感器单元30。凹部被布置成将彼此邻近的多个单元容纳在集群构造11中。在该实施例中，提供了：两个通信单元20、20，其中，出于冗余的目的而提供了复制通信单元，从而提供了复制或互补功能，或者提供了复制和互补功能两者；以及六个传感器单元30a、30a、30b、30b、30c和30d，其中，出于冗余的目的而提供了传感器单元30a和30b的复制传感器单元，以确保数据不会由于这些组件20、30a、30b中的一个发生故障而丢失。两个凹部41未被填充，但是应当理解，可以根据需要将另外的传感器单元引入到系统10中，使用空隙凹部41容纳这些传感器单元。框架40由适于使电磁波能够在本地传输机构之间进行传播的任何材料形成，这些材料包括但不限于塑料、聚乙烯以及该实施例中的乙缩醛。

在另一实施例中，框架40可以是主动装置，该主动装置与安装在其中的单元相互作用。例如，框架可以设置有螺线管，该螺线管识别传感器单元何时被安装在凹部41内。替代地，在组装和/或换出过程期间，螺线管可以由例如auv无线地致动。框架可以设置有整体式通信单元或传感器单元构造，使得该框架可操作为与被容纳在框架中的单元20、30进行通信，或者替代地，该框架可以询问被容纳在框架中的单元以建立这些单元的状态和性能水平。然后，与通信单元20一样，框架40可以在系统内执行诊断功能。框架40能够进一步操作为与远程通信系统进行通信。应当理解的是，通信单元壳体21可以形成框架，其中，传感器单元30根据需要被插入到凹部中，从而进一步减少了各个传感器单元30在传输数据时的工作量，从而进一步降低了传感器单元30的功率消耗。通信单元或使能(enabled)通信单元的框架可以设置有例如被部署在海床上的外部天线，这将使系统10能够直接与位于相当远的距离处的其他通信系统或收发器进行通信。

参照图5a和图5b，示出了通信网络8，该通信网络包括被安装在海底管线60上的通信系统10，该海底管线被布置成靠近海床66。在该实施例中，系统10通过被设置在框架40中的磁体固定到管线60上。然而，应当理解的是，可以使用任何合适的固定机构，包括但不限于弹性夹机构的带条。该网络进一步包括遥控潜水器(rov)50，该遥控潜水器设置有通信单元20、机械臂52和凹部51，该凹部中可容纳有至少一个传感器单元30或通信单元20以更换系统10的传感器单元30或通信单元20。在这种情况下，凹部51容纳传感器单元30f，该传感器单元30f设置有传感器32，该传感器32具有包括温度感测、振动感测和压力感测的多种功能，但是应当理解，这些功能可以是单个标准传感器或不同组的多参数传感器的功能。rov50通过脐带式缆线54连接到海洋64的表面62上的船舶70。船舶70设置有命令和控制中心72，用户可以从该命令和控制中心监测rov50的状态和性能并向rov50提供命令和控制数据，并且可以使用通信单元20的远程通信机构24经由通信单元20之间的数据传输对rov54从通信系统10接收到的数据进行复核。

在该实施例中，通信系统10具有框架40，该框架设置有六个凹部41a至41f，其中，通信单元20被布置在凹部41a中，并且传感器节点30a、30b、30c、30a被分别容纳在凹部41b、41c、41d和41f中。凹部41e是空置的。

rov50的通信单元20可以询问系统10的通信单元20并建立单元20、30中的每个单元的状态，包括诸如为电池电量、存储的数据、性能效率或与单元的结构或性能有关的任何其他问题的标准。该数据可以在rov50的通信单元20中进行本地处理，从而可以在本地进行调整，或者数据可以以经处理或未经处理的状态被提供给命令中心72。

参照图6至图8，当图5a、图5b中的rov50询问通信系统10时，可以确定凹部41d中的传感器单元30c是有故障的。在图6中示出了可在命令和控制中心72内的用户界面80上看到的输出显示。可以看出，对应于凹部41d的识别器81d示出了表示单元故障的十字叉。相比之下，与通信单元20以及传感器单元30a、30b和30a相对应的识别器81a、81b、81c和81f示出了表示单元正在以所需水平运行的勾号。凹部41e是空置的，因此，指示器81e示出了表示没有单元存在的破折号。

由于rov50能够询问系统10并建立该状态，因此rov50或命令和控制中心72中的用户可以确定rov50应当使用机械臂52移除有故障的单元30c并用传感器单元30f替换该有故障的单元30c。

在此过程中，图7中示出了当从凹部41d中移除有故障的单元30c时，rov50继续与系统10进行通信，并在用户界面80上输出，其中，指示器80a、80b、80c和80f均示出了勾号，而指示器81d和81e示出了表示在这些凹部中没有容纳任何单元的破折号。

然后，rov50可以将传感器单元30f放入凹部41d中，并且当传感器单元30f被完全插入时，系统10的通信单元20可以询问传感器单元30f并确认传感器单元30f是可操作的，该确认被反馈给rov50，并且用户界面80随后将在指示器81d中以勾号示出了图8所示的输出。

如图9所示，即使凹部41c、41d和41e都是空置的，其余的单元20、30a和30b仍可以继续使用蓝牙通信技术进行本地通信，并且当框架40由诸如为乙缩醛的材料制成时，这增强了单元20、30a、30b之间的通信。

在图10中，示出了通信系统110的另一实施例，在该另一实施例中，使用相同的附图标记来指代与系统10中所涉及的实施例相同的组件。在该实施例中，通信单元120具有壳体120，该壳体设置有夹持突出部123。通信系统110进一步包括传感器单元130a、130b，每个传感器单元具有分立式壳体131，该壳体设置有夹持突出部133。夹持突出部133与夹持突出部123配合，以将传感器单元130a、130b可释放地固定到通信单元110，从而形成集群111。当单元120、130a、130b中的任何一个单元失效时，可以原地松开和更换非运作单元，使用夹持件123、133将新的单元重新附接到其余的单元。

在图11中，示出了通信系统210的另一实施例。在该实施例中，壳体240设置有六个凹部241，通信单元20和传感器单元30可以被接纳在这些凹部中。在这种情况下，壳体设置有一个通信单元20和五个传感器单元30。壳体240设置有连接器机构215，在这种情况下，沿着壳体240的每一侧设置有两个连接器机构。如在图12中看到的，多个通信系统210可以通过连接器机构215被固定在一起以形成通信系统阵列290。连接器机构可以是任何合适的固定机构，包括但不限于机械夹、磁性连接器、突出部和相应的凹入部等。

将单元20、30、120、130布置在集群构造11、111、211中(无论是通过扎带(strapping)(未示出)、容器240进行固定还是保持在框架40、140中)使得新的传感器通信单元20、120和传感器单元30、130能够轻松地在集群11、111、211中进行换入和换出。轻松地对单元进行换入和换出为通信系统10、110、210提供了不会过时的结构，从而能够根据需要针对特定的环境或功能对这些通信系统进行定制或开发，而无需创建整个新系统。这样的功能性可以延长系统10、110、210的寿命并扩展其操作功能。

参照图13至图15，示出了本发明的另一实施例，其中，以前缀为300为相同的组件给予相同的附图标记。在图13中，手柄机构362(在该实施例中，经由连接器325)与帽331配合。固定到通信单元320的帽331上的手柄331协助将单元320操纵到单元主体310的凹部341中的位置。在图14和图15中，装置301被示为设置有弹性的马蹄形夹具370a、370b，该马蹄形夹具可用于将单元310保持到管道上。当管道上的绝缘层太厚而无法使磁体提供牢固的附接时，或者当管道由无法固定磁体的材料制成时，马蹄形夹具370a、370b具有特定的用途。

本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以对本文所述的本发明进行各种修改。例如，本地通信机构已经被详细描述为使用高频电磁传输，但是应当理解，可以使用其他电磁信号传输频率，或者光学传输技术或声学传输技术也可适用于系统10、110内的本地通信。此外，尽管可以在任何单元20、30中设置密封的电池单元28，但是每个单元可以包括功率传输系统，以使无线功率能够在单元之间感应地传输，并且替代地，电源可以是可再生发电机。夹具123、133已被描述为突出部，但是任何可释放的固定机构都可用于将单元可移除地固定到彼此。尽管本文详细描述的框架和系统布置具有线性或块状结构，但是应当理解，系统可以任何合适的形状形成。例如，系统10可以形成为具有360度的架构，使得系统可以围绕管道安装。这将使多个温度传感器或使用例如但不限于核技术的传感器能够部署在单个系统10内的围绕管道的位置，从而提供如下多相数据：该多相数据可提供气体/流体界面水平、水合物堆积或腐蚀的信息。