CN102088659B - 基于无线传感器网络的水下生命搜救系统 - Google Patents

基于无线传感器网络的水下生命搜救系统 Download PDF

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Abstract

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,其特征在于: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。

Description

基于无线传感器网络的水下生命搜救系统
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TDA2822M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ATMEGA128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TDA2822M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。
附图说明
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;
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86.20kbps,发送速率可达到21.5kbps。
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ATMEGA128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TDA2822M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1s),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ATMEGA128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TDA2822M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R3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ATMEGA128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PD0,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2m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PD0,且产生中断将单片机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。

Claims (5)

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:
a、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);
b、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);
c、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。
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)。
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ATMEGA128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TDA2822M集成芯片,所述接收换能器(2-8)为HS/H25型号。
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)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R3的一端与电源电连接。
5.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)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ATMEGA128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TDA2822M集成芯片,所述发射换能器(4-6)为HS/T25型号。
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