CN106055103A - 一种水下可穿戴指令通信系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下可穿戴指令通信系统与方法，涉及水声通信技术。通信系统设有指令处理模块、显示与控制模块、信号处理模块、信号发射模块、信号接收模块、传感器处理模块及电源与接口模块。通信方法包括指令通信步骤和指令显示步骤。本发明利用跳频多进制频移键控技术，可以实现手语指令的水下传输，结合可穿戴与显示和报警功能，保证潜水员水下通信的可靠性和实用性。

Description

一种水下可穿戴指令通信系统与方法

技术领域

本发明涉及水下通信技术，尤其是涉及一种水下可穿戴指令通信系统与方法。

背景技术

二十一世纪是海洋的世纪，针对海洋的资源开发活动日益频繁。由于水下环境变化莫测，并时常伴随着极大的危险，因此有必要为潜水人员配备通信系统，以实时报告其位置、水下状况等以便协同作业，并在预知危险或险情突发时可及时呼救以撤离。受限于水下环境的特殊性，如水压、水流及噪声等影响，现有的水下通信系统存在着诸多弊端，如通信不稳定导致信号丢失、操作繁琐而无法及时作出正确指令(尤其在险情突发时)、使用语音通信(无法听清)等，从而给潜水人员带来了严重的安全隐患，无法适应日益增长的水下活动(如旅游、安防、反恐、特种作业等)的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种水下可穿戴指令通信系统与方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水下可穿戴指令通信系统，包括指令处理模块、显示与控制模块、信号处理模块、信号发射模块、信号接收模块及电源模块，所述指令处理模块用于实现水下手语指令的预存储和编译；所述显示与控制模块与所述指令处理模块相连，用于显示接收到的水下手语指令或选取水下手语指令发送；所述信号处理模块分别与所述指令处理模块、所述信号发射模块及所述信号接收模块相连，用于处理所述信号接收模块接收到的信息并输出给所述指令处理模块，或处理所述指令处理模块所输出的信息并输出给所述信号发射模块发射；所述信号发射模块用于将所述信号处理模块输出的电信号转换为声信号并发射，所述信号接收模块用于将接收的声信号转换为电信号并输出给所述信号处理模块，所述电源模块用于给整个系统供电。

优选地，所述信号发射模块与信号接收模块采用半双工的工作方式，即信号发射模块和信号接收模块共用体积小的高频收发共置换能器。

优选地，所述信号处理模块包括MFSK调制器、MFSK解调器、跳频序列生成器、频率合成器、混频器、数据采集器与同步检测器，在发射状态时，所述MFSK调制器对所述指令处理模块提供的指令信号进行MFSK调制后发送至所述混频器，所述跳频序列生成器产生跳频图案并发送至频率合成器，所述频率合成器根据跳频图案生成跳频载波并发送至混频器，所述混频器将MFSK调制信号与跳频载波信号混频后发送至信号发射模块；在接收状态时，所述数据采集器对信号接收模块输出的信号进行模数转换并发送至混频器，所述同步检测器对转换模数后的信号进行同步检测以获得同步信号，并将之发送至跳频序列生成器，所述跳频序列生成器产生跳频图案并发送至频率合成器，所述频率合成器根据跳频图案生成跳频载波并发送至混频器，所述混频器将数据采集器输出的信号与频率合成器生成的跳频载波混频后发送至MFSK调制器，MFSK调制器对混频器输出的信号进行MFSK解调后发送至指令处理模块。

优选地，还包括传感器模块，所述传感器模块与所述显示与控制模块相连，用于采集水下参数并输出给所述显示与控制模块。

优选地，所述显示与控制模块包括显示屏与控制键组，所述控制键组包括上翻、下翻、切换/确认及SOS按键，当所述传感器模块采集到的水下参数超出预先设定的安全阙值时，自动触发SOS按键，发出求救信号，直至所述传感器采集到的水下参数低于安全阙值时解除警报。

优选地，还包括振动模块，所述振动模块与所述信号接收模块相连及所述传感器模块相连，当所述信号接收模块接收到信号时，所述振动模块发出低频振动提醒收到信息，当所述传感器模块采集到的水下参数超出预先设定的安全阙值时，所述振动模块发出高频次振动以报警，直至所采集到的水下参数低于安全阙值时停止。

优选地，所述指令处理模块、显示与控制模块、信号处理模块、传感器处理模块及振动模块集成为主体设备，所述信号发射模块、信号接收模块与电源与接口模块集成为外部设备，所述主体设备与所述外部设备通过水密接口及线缆连接。

一种水下可穿戴指令通信系统的通信方法，包括以下步骤：

1)将预设的水下手语指令以报文形式进行存储，初始化后调用处理进行显示；

2)通信系统1的用户通过按键组切换显示屏所显示的内容，并选取发送所需的水下手语指令；

3)所选取的水下手语指令经指令处理模块处理生成指令信号并传递给信号处理模块，经信号处理模块调制混频后发送至信号发射模块，信号发射模块将相关信号转化为声信号，并以依次发送3个单频信号的方式向通信系统2发送唤醒信号；

4)通信系统2的信号接收模块检测到唤醒信号中的至少两个单频信号即认为成功接收唤醒信号，数据采集器对唤醒信号进行模数转换后，同步检测器对转换后的信号进行同步检测以纠正信号的同步误差，获得同步信号以控制跳频序列生成器和频率合成器生成跳频载波信号，将数据采集器输出的信号与跳频载波信号混频后发送至MFSK解调器解调，解调后的指令发送至指令处理模块处理后经显示屏显示水下手语指令。

优选地，所述同步信号通过以下方法获得：

在所述唤醒信号之后紧跟着Chirp信号作为系统帧同步信号，对所述唤醒信号的同步误差进行纠正，其中以去斜率法获得Chirp信号的压缩窄脉冲，从而达到同步信号提取的目的，实现Chirp信号的检测。

优选地，所述预设的水下手语指令包括主询指令和应答指令，所述主询指令包括正常吗、前进、后退、上浮、下潜、跟随、靠近、保持及紧急、应答指令包括YES、NO、安全及呼救。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过预储存手下手语指令进行选取和发送，充分考虑了水下输入指令的困难性，以及利用4个水密式按键的组合叠加功能，可以完全实现对显示指令与模式进行切换，具备很强的水下操作简易性；

2、本发明通过显示功能进行水下手语指令通信，充分考虑了水下高噪声对水下语音通信系统的采集和回放语音的影响；

3、本发明主要根据设备的体积大小，将体积较小的主体设备与体积较大的外部设备进行分离，可以实现主体设备穿戴简易，并采用高频收发共置换能器，对外部设备做到小型化，这种主体设备与外部设备分离的结构有利于实现水下可穿戴设备的便携化；

4、增加水下传感器模块，可以实时提供温度和深度等信息，并且设定报警门限值，一旦超过设定门限，将自动触发设备振动以及紧急按键发送紧急手语指令功能；

5、采用3个单频信号作为唤醒信号，如果其中某个信号因为频率选择性衰减而无法检测，只需检测到其余两个信号便可唤醒设备，提升了信号传输的可靠性；

6、利用去斜率法得到Chirp信号的压缩窄脉冲，从而提取同步信号，不仅有效降低了所需的采样率，并且很大程度上降低了复杂度，从而使信号的处理快捷、可靠。

附图说明

图1为水下可穿戴指令通信系统示意图；

图2为本发明所述水下可穿戴指令通信系统框图；

图3为本发明所述水下可穿戴指令通信方法操作流程图；

图4为本发明所述信号传输帧格式图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，一种水下可穿戴指令通信系统，包括指令处理模块、显示与控制模块、信号处理模块、信号发射模块、信号接收模块及电源模块，所述指令处理模块用于实现水下手语指令的预存储和编译；所述显示与控制模块与所述指令处理模块相连，用于显示接收到的水下手语指令或选取水下手语指令发送；所述信号处理模块分别与所述指令处理模块、所述信号发射模块及所述信号接收模块相连，用于处理所述信号接收模块接收到的信息并输出给所述指令处理模块，或处理所述指令处理模块所输出的信息并输出给所述信号发射模块发射；所述信号发射模块用于将所述信号处理模块输出的电信号转换为声信号并发射，所述信号接收模块用于将接收的声信号转换为电信号并输出给所述信号处理模块，所述电源模块用于给整个系统供电。

其中，指令处理模块在发射状态时，对显示与控制模块采集到的手语指令进行编译，发送至信号处理模块；在接收状态时，对信号处理模块输出的数据进行编译，发送至显示与控制模块显示。

显示与控制模块包括显示屏与控制键组，控制键组包括上翻、下翻、切换/确认及SOS按键，通过上翻、下翻键实现手语命令的选取，通过切换/确认键实现发送界面、接收界面及无操作界面的切换及发送命令的确认，当有突发险情时，SOS按键用于一键呼救。

信号处理模块包括MFSK调制器、MFSK解调器、跳频序列生成器、频率合成器、混频器、数据采集器与同步检测器，在发射状态时，所述MFSK调制器对所述指令处理模块提供的指令信号进行MFSK调制后发送至所述混频器，所述跳频序列生成器产生跳频图案并发送至频率合成器，所述频率合成器根据跳频图案生成跳频载波并发送至混频器，所述混频器将MFSK调制信号与跳频载波信号混频后发送至信号发射模块；在接收状态时，所述数据采集器对信号接收模块输出的信号进行模数转换并发送至混频器，所述同步检测器对转换模数后的信号进行同步检测以获得同步信号，并将之发送至跳频序列生成器，所述跳频序列生成器产生跳频图案并发送至频率合成器，所述频率合成器根据跳频图案生成跳频载波并发送至混频器，所述混频器将数据采集器输出的信号与频率合成器生成的跳频载波混频后发送至MFSK调制器，MFSK调制器对混频器输出的信号进行MFSK解调后发送至指令处理模块。

信号发射模块、信号接收模块采用半双工的工作方式，即信号发射模块和信号接收模块共用高频收发共置换能器。高频收发共置换能器的通讯距离较短，但其体积小巧。由于在水下活动时，潜水人员不可能远离船只或其余伙伴而单独活动，其局限于一定活动区域范围内的作业特性使得高频收发共置换能器的缺点可以忽视，而其小巧的体积却有利于设备进一步的小型化。

通信系统中还包括传感器模块与振动模块，所述传感器模块与所述显示与控制模块相连，用于采集水下参数(诸如流速、水压、噪声、温度等)并输出给所述显示与控制模块。当显示与控制模块处于无操作状态时，显示屏显示传感器所采集到的水下参数。当所述传感器模块采集到的水下参数超出预先设定的安全阙值时，自动触发SOS按键，发出求救信号，直至所述传感器采集到的水下参数低于安全阙值时解除警报。

振动模块，所述振动模块与所述显示与控制模块相连接，及所述传感器模块相连，当所述信号接收模块接收到信号时，所述振动模块发出低频振动提醒潜水员查看信息，当所述传感器模块采集到的水下参数超出预先设定的安全阙值时，所述振动模块发出高频次振动以报警，直至所采集到的水下参数低于安全阙值时停止。

将指令处理模块、显示与控制模块、信号处理模块、传感器处理模块及振动模块集成为主体设备，将收发共置换能器与电源与接口模块集成为外部设备，所述主体设备与所述外部设备通过水密接口及线缆连接。如图2所示，收发共置换能器1与电池舱2封装在一起，显示屏7与控制按键组8集成在主机5的面板上，其余模块集成在主机5中，主机5与电池舱2通过水密接口3与线缆4连接在一起，主机5上连接有穿戴装置6，本实施例中穿戴装置为腕带。

一种水下可穿戴指令通信系统的通信方法，包括以下步骤：

1)将预设的水下手语指令以报文形式进行存储，初始化后调用处理进行显示；

2)通信系统1的用户通过按键组切换显示屏所显示的内容，并选取发送所需的水下手语指令；

3)所选取的水下手语指令经指令处理模块处理生成指令信号并传递给信号处理模块，经信号处理模块调制混频后发送至信号发射模块，信号发射模块将相关信号转化为声信号，并以依次发送3个单频信号的方式向通信系统2发送唤醒信号；

4)通信系统2的信号接收模块检测到唤醒信号中的至少两个单频信号即认为成功接收唤醒信号，数据采集器对唤醒信号进行模数转换后，同步检测器对转换后的信号进行同步检测以纠正信号的同步误差，获得同步信号以控制跳频序列生成器和频率合成器生成跳频载波信号，将数据采集器输出的信号与跳频载波信号混频后发送至MFSK解调器解调，解调后的指令发送至指令处理模块处理后经显示屏显示水下手语指令。

其中，预存的手语指令包括主询指令和应答指令，所述主询指令包括正常吗、前进、后退、上浮、下潜、跟随、靠近、保持及紧急、应答指令包括YES、NO、安全及呼救。

而信号的传输处理采用如图3所示的信号传输帧结构传输，由唤醒信号，由唤醒信号、帧同步信号、调整码元、数据码元四部分构成。唤醒信号的设计上结合了分集和跳频这两种思想，采用依次发送三个单频信号fA，fB，fC的结构，频率分别为47kHz，50kHz，53kHz。三个频率信号的到达都代表着信号传输到达，规定检测到三个单频信号中的两个即认为唤醒信号成功接收，那么如果某个频率因为频率选择性衰弱没办法检测到，也不会影响整个唤醒信号的成功获得。唤醒信号之后紧跟着Chirp信号作为系统帧同步信号，对唤醒信号的同步误差进行纠正。NC信号段为系统调整时间，之后是数据信号。

Chirp信号的抗噪声干扰能力很强，自相关特性受水声信道中干扰因素的影响不大，还具有多普勒容限较高等优点，所以，可以采用Chirp信号可以实现水下通信的精确帧同步。Chirp信号的时域表达式为：

$s\left(t\right)=S\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}(f_{c}t+{\mathrm{kt}}^2/2)}$

式中：

$S\left(t\right)=rect(t/T)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \left|\frac{t}{T}\right|<1\\ 0,& else\end{array}\right.$

其中f_c为载波频率，S(t)为矩形信号，t为时间变量，T为脉冲宽度，B是Chirp信号宽度，调频斜率k＝B/T。

在步骤4中，本发明利用去斜率法得到Chirp信号的压缩窄脉冲的过程，从而达到同步信号提取的目的，实现Chirp同步信号的检测。去斜率方法不仅可以有效降低所需的采样率，并且在很大程度上降低了复杂度。去斜率方法中本振信号可以表示为：

$s_{ref}\left(t\right)=rect\&lsqb;(t-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;})/T\&rsqb;e^{j2\mathrm{\&pi;}\&lsqb;f_c(t-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;})+k{(t-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;})}^2/2\&rsqb;}$

式中，Δτ为输入信号与本振信号的时延差，T为脉冲宽度，k为调频斜率，fc为载波频率。

接收信号与本振信号进入混频器并滤波后，输出单频的去斜率信号S₀(t)：

$s_0\left(t\right)=s\left(t\right)\&CenterDot;s_{ref}\left(t\right)={\mathrm{Ae}}^{j2{\mathrm{\&pi;f}}_c\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}+j2\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}t-{\mathrm{j\&pi;k\&Delta;\&tau;}}^2}={\mathrm{Ae}}^{j2{\mathrm{\&pi;f}}_{m}t+j\mathrm{\&sigma;}}$

其中，f_m＝kΔτ，σ＝2πf_cΔτ-πkΔτ²。

由以上分析可知，输出信号s₀(t)是一个单频信号，且频率与f_m及时延差成正比。由此实现了将接收信号与本振信号之间的时间差就转换成该单频的频率。再对这个去斜率信号s₀(t)进行A/D采样，并做FFT运算，即可实现Chirp信号对同步偏移量的调整。

如图4所示的是本发明所揭示的通信方法的操作流程图，包括以下步骤：

S1—开机并进行初始化；

S2—显示传感器参数信息；

S3—判断是否接收到指令？如果是，则进行S4步骤；如果不是，则进行S5步骤；

S4—显示接收的指令；

S5—判断是否发送指令？如果是，则进行S6步骤，如果不是，则进行S2步骤；

S6—显示预存储指令；

S7—选取指令并进行发送。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：包括指令处理模块、显示与控制模块、信号处理模块、信号发射模块、信号接收模块及电源模块，所述指令处理模块用于实现水下手语指令的预存储和编译；所述显示与控制模块与所述指令处理模块相连，用于显示接收到的水下手语指令或选取水下手语指令发送；所述信号处理模块分别与所述指令处理模块、所述信号发射模块及所述信号接收模块相连，用于处理所述信号接收模块接收到的信息并输出给所述指令处理模块，或处理所述指令处理模块所输出的信息并输出给所述信号发射模块发射；所述信号发射模块用于将所述信号处理模块输出的电信号转换为声信号并发射，所述信号接收模块用于将接收的声信号转换为电信号并输出给所述信号处理模块，所述电源模块用于给整个系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：所述信号发射模块与信号接收模块采用半双工的工作方式，即信号发射模块和信号接收模块共用体积小的高频收发共置换能器。

3.根据权利要求1所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：所述信号处理模块包括MFSK调制器、MFSK解调器、跳频序列生成器、频率合成器、混频器、数据采集器与同步检测器，在发射状态时，所述MFSK调制器对所述指令处理模块提供的指令信号进行MFSK调制后发送至所述混频器，所述跳频序列生成器产生跳频图案并发送至频率合成器，所述频率合成器根据跳频图案生成跳频载波并发送至混频器，所述混频器将MFSK调制信号与跳频载波信号混频后发送至信号发射模块；在接收状态时，所述数据采集器对信号接收模块输出的信号进行模数转换并发送至混频器，所述同步检测器对转换模数后的信号进行同步检测以获得同步信号，并将之发送至跳频序列生成器，所述跳频序列生成器产生跳频图案并发送至频率合成器，所述频率合成器根据跳频图案生成跳频载波并发送至混频器，所述混频器将数据采集器输出的信号与频率合成器生成的跳频载波混频后发送至MFSK调制器，MFSK调制器对混频器输出的信号进行MFSK解调后发送至指令处理模块。

4.根据权利要求1所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：还包括传感器模块，所述传感器模块与所述显示与控制模块相连，用于采集水下参数并输出给所述显示与控制模块。

5.根据权利要求4所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：所述显示与控制模块包括显示屏与控制键组，所述控制键组包括上翻、下翻、切换/确认及SOS按键，当所述传感器模块采集到的水下参数超出预先设定的安全阙值时，自动触发SOS按键，发出求救信号，直至所述传感器采集到的水下参数低于安全阙值时解除警报。

6.根据权利要求4所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：还包括振动模块，所述振动模块与所述信号接收模块相连及所述传感器模块相连，当所述信号接收模块接收到信号时，所述振动模块发出低频振动提醒收到信息，当所述传感器模块采集到的水下参数超出预先设定的安全阙值时，所述振动模块发出高频次振动以报警，直至所采集到的水下参数低于安全阙值时停止。

7.根据权利要求6所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：所述指令处理模块、显示与控制模块、信号处理模块、传感器处理模块及振动模块集成为主体设备，所述信号发射模块、信号接收模块与电源与接口模块集成为外部设备，所述主体设备与所述外部设备通过水密接口及线缆连接。

8.一种基于权利要求1所述的水下可穿戴指令通信系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将预设的水下手语指令以报文形式进行存储，初始化后调用处理进行显示；

2)通信系统1的用户通过按键组切换显示屏所显示的内容，并选取发送所需的水下手语指令；

3)所选取的水下手语指令经指令处理模块处理生成指令信号并传递给信号处理模块，经信号处理模块调制混频后发送至信号发射模块，信号发射模块将相关信号转化为声信号，并以依次发送3个单频信号的方式向通信系统2发送唤醒信号；

4)通信系统2的信号接收模块检测到唤醒信号中的至少两个单频信号即认为成功接收唤醒信号，数据采集器对唤醒信号进行模数转换后，同步检测器对转换后的信号进行同步检测，获得同步信号以控制跳频序列生成器和频率合成器生成跳频载波信号，将数据采集器输出的信号与跳频载波信号混频后发送至MFSK解调器解调，解调后的指令发送至指令处理模块处理后经显示屏显示水下手语指令。

9.根据权利要求8所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于，所述同步信号通过以下方法获得：

在所述唤醒信号之后紧跟着Chirp信号作为系统帧同步信号，对所述唤醒信号的同步误差进行纠正，其中以去斜率法获得Chirp信号的压缩窄脉冲，从而达到同步信号提取的目的，实现Chirp信号的检测。

10.根据权利要求8所述的一种水下可穿戴指令通信系统，其特征在于：所述预设的水下手语指令包括主询指令和应答指令，所述主询指令包括正常吗、前进、后退、上浮、下潜、跟随、靠近、保持及紧急、应答指令包括YES、NO、安全及呼救。