CN105356950B - 水文双通道水下通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水文双通道水下通信系统，包括水上单元和水下单元，其特征在于：所述水上单元包括无线电接收模块、超声波接收探头、接收驱动及信号解调模块、水面MCU模块、无线电转发模块，所述水下单元包括无线电发射模块、超声波发射探头、发射探头驱动模块、水下MCU模块、信号采集模块。本发明通过水下超声波和无线电双通道通信，保持民用及商用级设备成本的基础上实现中短距离的水下通信，解决中短距离通信不稳定、不可靠的问题，实现中短距离水下通信不间断、高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及水下通信领域，特别是涉及一种适用于中短距离的水文双通道水下通信系统。
背景技术
目前，水文行业大多应用的通信技术是基于电磁波的，但电磁波在水下具有衰减大、传输距离近、效率低的特点，使得这些系统在应用起来并不稳定可靠，军工的声纳通信技术虽然在水下通信距离远，但成本极高，不适合水下中短距离的通信。
发明内容
本发明的目的在于解决上述传统水下通信方式的不足之处，提供一种高可靠性的水文双通道水下通信系统，在保持民用及商用级设备成本的基础上实现中短距离的水下通信，解决中短距离通信不稳定、不可靠的问题。
本发明的目的是通过以下技术措施来达到的：
水文双通道水下通信系统，包括水上单元和水下单元，其特征在于：所述水上单元包括无线电接收模块、超声波接收探头、接收驱动及信号解调模块、水面MCU模块、无线电转发模块，所述超声波接收探头、接收驱动及信号解调模块、水面MCU模块、无线电转发模块依次电连接，所述无线电接收模块与水面MCU模块电连接，所述水下单元包括无线电发射模块、超声波发射探头、发射探头驱动模块、水下MCU模块、信号采集模块，所述超声波发射探头、发射探头驱动模块、水下MCU模块与信号采集模块依次电连接，所述无线电发射模块与水下MCU模块电连接。水下单元通过信号采集模块采集各类流速仪信号以及水面信号，流速仪信号使用AD采集，通过水下MCU解析出相应的电平变化。本发明实现了流速仪接线端子不用做防水处理，相比传统上直接用电阻分压后接到MCU的IO口上大大降低了电流，防止MCU损坏。
本发明实现水下双通道通信的过程如下：
水下单元通过信号采集模块采集各类流速仪信号以及水面信号，通过水下MCU解析，将数字信号调制成超声波脉冲信号和无线电信号，超声波脉冲信号经由发射探头驱动模块放大后通过超声波发射探头定向发射，无线电信号通过无线电发射模块发射；在水上单元，无线电接收模块接收无线电信号，接收驱动及信号解调模块将超声波接收探头接收的超声波信号放大、解调，然后传送给水面MCU模块，通过水面MCU模块的解码，将数据无线电转发模块发送至终端主机，实现水下的通信。
因为超声波为机械波，因此在水中衰减少，具有较好的传播距离，但是近距离传输时存在盲区，而无线电信号传输为电磁波，水中传输距离短，但是没有盲区，两种传输方式结合构成双通道水下通信系统，保证水文信号传输的稳定性和可靠性。利用本发明的双通道传输优势，可以在实际应用中，方便的使用多套本发明建立水文监测网，水下数据经由双通道稳定可靠的传输到水上单元，水上单元处理数据并将所有数据通过本发明的无线电转发模块最终汇集到终端主机，实现大区域水下数据的实时监测。
作为一种优选方案，所述水面MCU模块和水下MCU模块均采用STC12C5A60S2单片机。水面MCU模块和水下MCU模块承担着采集信号的处理、超声波信号的发生以及整机的控制，相比独立的信号发生器大大降低了电路空间，而且灵活性更高。
作为一种优选方案，所述发射探头驱动模块采用SP232芯片。
作为一种优选方案，所述发射探头驱动模块中的SP232芯片为两片及两片以上，所述每片SP232芯片驱动一个超声波发射探头。发射探头驱动模块用以将超声波信号转化成可驱动发射探头的±30V电压。SP232芯片中包含两个驱动通道，每一路SP232输出可达到±15V的电压，采用两路SP232驱动一个探头即可达到±30V的电压，即60V的压差，保证发射探头超声波的发射功率，保障水下中短距离传输时有足够的信号强度。本发明采用多个SP232芯片驱动多个超声波发射探头，多个超声波发射探头指向方位可以略有差别，最大限度增加超声波的各向弥散性，保证在水下水流冲击中仍能够稳定可靠的传输信号。
作为一种优选方案，所述接收驱动及信号解调模块采用TA8141芯片。接收驱动及信号解调模块采用的芯片是TA8141，该芯片源用于电视红外遥控，其工作频率为39khz，对其外围电路参数进行设置修改后可实现40khz信号的接收及解调，可以很方便地应用于40khz超声波。
作为一种优选方案，所述超声波发射探头与超声波接收探头采用40KHz中心频率。40KHz中心频率既具有较好的水下传输距离，也具有较好的声波弥散性，其超声波信号的发射范围较为宽广，更有利于超声波信号的传输和接收。
作为一种优选方案，所述无线电发射模块和无线电接收模块采用433MHz频段。433MHz频段无线电发射模块为辅助通信模块，与超声波通信模块一起构成双通信通道，433MHz频段无线电虽然在水中的传输距离有限，但是却完美解决了在近距离超声波通信时存在盲区的问题。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明公开了一种水文双通道水下通信系统，通过水下超声波和无线电双通道通信，保持民用及商用级设备成本的基础上实现中短距离的水下通信，解决中短距离通信不稳定、不可靠的问题，实现中短距离水下通信不间断、高可靠性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
附图1是本发明一种水文双通道水下通信系统的结构示意图。
具体实施方式
实施例：如附图1所示，水文双通道水下通信系统，包括水上单元1和水下单元2，所述水上单元1包括无线电接收模块14、超声波接收探头15、接收驱动及信号解调模块13、水面MCU模块12、无线电转发模块11，所述超声波接收探头15、接收驱动及信号解调模块13、水面MCU模块12、无线电转发模块11依次电连接，所述无线电接收模块14与水面MCU模块12电连接，所述水下单元2包括无线电发射模块24、超声波发射探头25、发射探头驱动模块23、水下MCU模块22、信号采集模块21，所述超声波发射探头25、发射探头驱动模块23、水下MCU模块22与信号采集模块21依次电连接，所述无线电发射模块24与水下MCU模块22电连接。水下单元2通过信号采集模块21采集各类流速仪信号以及水面信号，流速仪信号使用AD采集，通过水下MCU解析出相应的电平变化。本发明实现了流速仪接线端子不用做防水处理，相比传统上直接用电阻分压后接到MCU的IO口上大大降低了电流，防止MCU损坏。
本发明实现水下双通道通信的过程如下：
水下单元2通过信号采集模块21采集各类流速仪信号以及水面信号，通过水下MCU模块22解析，将数字信号调制成超声波脉冲信号和无线电信号，超声波脉冲信号经由发射探头驱动模块23放大后通过超声波发射探头25定向发射，无线电信号通过无线电发射模块24发射；在水上单元1，无线电接收模块14接收无线电信号，接收驱动及信号解调模块13将超声波接收探头15接收的超声波信号放大、解调，然后传送给水面MCU模块12，通过水面MCU模块12的解码，将数据无线电转发模块11发送至终端主机，实现水下的通信。
因为超声波为机械波，因此在水中衰减少，具有较好的传播距离，但是近距离传输时存在盲区，而无线电信号传输为电磁波，水中传输距离短，但是没有盲区，两种传输方式结合构成双通道水下通信系统，保证水文信号传输的稳定性和可靠性。
在本实施例中，所述水面MCU模块12和水下MCU模块22均采用STC12C5A60S2单片机。水面MCU模块12和水下MCU模块22承担着采集信号的处理、超声波信号的发生以及整机的控制，相比独立的信号发生器大大降低了电路空间，而且灵活性更高。
在本实施例中，所述发射探头驱动模块23中采用两片SP232芯片，所述每片SP232芯片驱动一个超声波发射探头25。发射探头驱动模块23用以将超声波信号转化成可驱动发射探头的±30V电压。SP232芯片中包含两个驱动通道，每一路SP232输出可达到±15V的电压，采用两路SP232驱动一个发射探头即可达到±30V的电压，即60V的压差，保证发射探头超声波的发射功率，保障水下中短距离传输时有足够的信号强度。本发明采用多个SP232芯片驱动多个超声波发射探头，多个超声波发射探头指向方位可以略有差别，最大限度增加超声波的各向弥散性，保证在水下水流冲击中仍能够稳定可靠的传输信号。
在本实施例中，所述接收驱动及信号解调模块13采用TA8141芯片。接收驱动及信号解调模块13采用的芯片TA8141源用于电视红外遥控，其工作频率为39khz，对其外围电路参数进行设置修改后可实现40khz信号的接收及解调，可以很方便地应用于40khz超声波。
在本实施例中，所述超声波发射探头25与超声波接收探头15采用40KHz中心频率。40KHz中心频率既具有较好的水下传输距离，也具有较好的声波弥散性，其超声波信号的发射范围较为宽广，更有利于超声波信号的传输和接收。
在本实施例中，所述无线电发射模块24和无线电接收模块14采用433MHz频段。433MHz频段无线电发射模块为辅助通信模块，与超声波通信模块一起构成双通信通道，433MHz频段无线电虽然在水中的传输距离有限，但是却完美解决了在近距离超声波通信时存在盲区的问题。
Claims (2)
1.水文双通道水下通信系统，包括水上单元和水下单元，其特征在于：所述水上单元包括无线电接收模块、超声波接收探头、接收驱动及信号解调模块、水面MCU模块、无线电转发模块，所述超声波接收探头、接收驱动及信号解调模块、水面MCU模块、无线电转发模块依次电连接，所述无线电接收模块与水面MCU模块电连接，所述水下单元包括无线电发射模块、超声波发射探头、发射探头驱动模块、水下MCU模块、信号采集模块，所述超声波发射探头、发射探头驱动模块、水下MCU模块与信号采集模块依次电连接，所述无线电发射模块与水下MCU模块电连接；
所述超声波发射探头与超声波接收探头采用40KHz中心频率，所述无线电发射模块和无线电接收模块采用433MHz频段；
所述发射探头驱动模块采用SP232芯片；
所述发射探头驱动模块中的SP232芯片为两片及两片以上，所述每片SP232芯片驱动一个超声波发射探头；SP232芯片中包含两个驱动通道，两个驱动通道驱动一个超声波发射探头，所述多个超声波发射探头指向方位有差别；
所述接收驱动及信号解调模块采用TA8141芯片。
2.根据权利要求1所述的水文双通道水下通信系统，其特征在于：所述水面MCU模块和水下MCU模块均采用STC12C5A60S2单片机。
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