CN106628006B - 一种智能手机波浪浮标 - Google Patents

Abstract

一种智能手机波浪浮标，该浮标包括手机、外置电源和防水外壳，手机与外置电源固定安装在防水外壳内，手机通过数据线与外置电源连接；所述手机上安装有波浪监测app，波浪监测app包括调用手机内部的计时器、加速度传感器、磁场传感器的数据获取模块、进行波浪参数计算的数据处理存储模块和调用手机内部的邮件模块进行邮件发送的数据传输模块。本发明提供的智能手机波浪浮标将手机与防水外壳高度结合，减少了浮标的体积和重量，在保证波浪参数准确测量的前提下降低了浮标的生产成本。

Description

一种智能手机波浪浮标

技术领域

本发明涉及一种波浪监测设备，特别是一种智能手机波浪浮标。

背景技术

海洋科学是一个正在蓬勃发展的学科，海洋开发具有战略意义。随着海洋技术的发展和人们对海洋资源的不断开发，对海洋环境的监测尤其是海浪参数的监测显得很重要。

目前我国海洋技术和海洋监测技术比较落后，一方面许多海洋观测站的海浪数据还是来源于观测员的目测，观测效果有折扣；另一方面近海海浪的监测多采用波浪浮标方法，虽然波浪浮标是一种无人值守的自动定点定时的对海面波浪的高度，波浪周期，波浪传播方向等要素进行遥测的小型浮标测量系，但是专业波浪浮标价格昂贵，难以大规模部署。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种小体积、价格低、波向测量精度高的智能手机波浪浮标。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种智能手机波浪浮标，该浮标包括手机、外置电源和防水外壳，手机与外置电源固定安装在防水外壳内，手机通过数据线与外置电源连接；所述手机上安装有波浪监测app，波浪监测app包括调用手机内部的计时器、加速度传感器、磁场传感器的数据获取模块、进行波浪参数计算的数据处理存储模块和调用手机内部的邮件模块进行邮件发送的数据传输模块；

（1）波高的测量

波浪监测app的数据获取模块调用手机内部的加速度传感器直接获取运动状态的垂向加速度，数据处理存储模块对垂向加速度进行两次时间积分计算出垂向位移，通过连续的位移获得波浪的连续运动状态，对位移数据采用上跨零点法，按照波高由大到小的顺序排序，取总波数的三分之一个波的波高计算算术平均值，算出波高；

（2）波向的测量

以手机的中心为坐标原点，以手机的横向为x轴，手机的纵向为y轴，手机的竖向为z轴，建立笛卡尔坐标（x，y，z）；规定手机与绕z轴、x轴和y轴旋转产生的角为r1、r2和r3，当手机屏幕水平向上时，手机顺时针旋转，r1为0-360度，正北为0或360度，r2和r3为-90-90度；波浪监测app的数据获取模块调用手机内部的加速度传感器和磁场传感器获得r1、r2和r3，

令a=sin(r1)，b=sin(r2)，结合a和b的正负，计算arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)或arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)，算出波向；

（3）周期的测量

波浪监测app的数据处理存储模块每次进行波高计算时，调用手机内部的计时器把当前系统时间存放在时间数组中，通过速度的方向判断下次出现波峰或波谷的时间，并存放在时间数组中，计算时间数组中最后一个时间和前一个时间的差值并记录，相加两个连续记录的差值计算出周期；

（4）波浪参数的发送

波浪监测app的数据处理存储模块按设定的时间段对该时间段内的波浪的波高、波向和周期的数据进行分组储存到文本文件中，然后通过数据传输模块调用手机内部的邮件模块将储存数据的文本文件按照设置的邮件传输时间段分时段发送到预先设置的邮箱。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述手机为安卓智能手机。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述防水外壳为中空的全封闭扁圆柱体，圆柱体的直径为20cm。

本发明利用手机替代传统浮标内的电子设备，手机内部的电路结构替代之前电子设备内部的电路机构，提高了数据处理性能，降低了生产成本，并且实现全球化的实时数据传输；波浪监测app可调用手机内部的硬件进行参数测量，然后加以数学计算得出波浪的波高、波向和周期，并调用手机内部的邮件模块将数据传输到指定邮箱；此外，手机还配合有外置电源和防水外壳，提高了手机的续航能力，并且减少了该浮标的体积。与现有技术相比，本发明提供的智能手机波浪浮标将手机与防水外壳高度结合，减少了浮标的体积和重量，在保证波浪参数准确测量的前提下降低了浮标的生产成本。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为本发明的程序执行流程图；

图3为梯形积分法原理图；

图4为本发明正面向上建立的笛卡尔坐标示意图；

图5为本发明的波向计算原理示意图；

图6为本发明的波向角计算原理图。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

参照图1-2，一种智能手机2波浪浮标，该浮标包括手机2、外置电源3和防水外壳1，手机2与外置电源3固定安装在防水外壳1内，手机2通过数据线与外置电源3连接；所述手机2上安装有波浪监测app，波浪监测app包括调用手机2内部的计时器、加速度传感器、磁场传感器的数据获取模块、进行波浪参数计算的数据处理存储模块和调用手机2内部的邮件模块进行邮件发送的数据传输模块；

（1）波高的测量

波浪监测app的数据获取模块调用手机2内部的加速度传感器直接获取运动状态的垂向加速度，数据处理存储模块对垂向加速度进行两次时间积分计算出垂向位移，通过连续的位移获得波浪的连续运动状态，对位移数据采用上跨零点法，按照波高由大到小的顺序排序，取总波数的三分之一个波的波高计算算术平均值，算出波高；

（2）波向的测量

以手机2的中心为坐标原点，以手机2的横向为x轴，手机2的纵向为y轴，手机2的竖向为z轴，建立笛卡尔坐标（x，y，z）；规定手机2与绕z轴、x轴和y轴旋转产生的角为r1、r2和r3，当手机2屏幕水平向上时，手机2顺时针旋转，r1为0-360度，正北为0或360度，r2和r3为-90-90度；波浪监测app的数据获取模块调用手机2内部的加速度传感器和磁场传感器令a=sin(r1)，b=sin(r2)，结合a和b的正负，计算arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)或arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)，算出波向；

（2）周期的测量

波浪监测app的数据处理存储模块每次进行波高计算时，调用手机2内部的计时器把当前系统时间存放在时间数组中，通过速度的方向判断下次出现波峰或波谷的时间，并存放在时间数组中，计算时间数组中最后一个时间和前一个时间的差值并记录，相加两个连续记录的差值计算出周期；

（4）波浪参数的发送

波浪监测app的数据处理存储模块按设定的时间段对该时间段内的波浪的波高、波向和周期的数据进行分组储存到文本文件中，然后通过数据传输模块调用手机2内部的邮件模块将储存数据的文本文件按照设置的邮件传输时间段分时段发送到预先设置的邮箱。

手机2内集成有多种传感器，包括加速度传感器、重力传感器、磁力传感器、陀螺仪、GPS等以及由上述硬件实现的基于软件的传感器，比如三轴线性加速度传感器、方向传感器等；此外手机2还具有移动通信功能和电源系统，可以独立完成数据传输和持续运行；外置电源3可以为手机2供电，延长手机2的续航时间；波浪监测app通过数据处理算法调用手机2内的传感器实现波浪参数的测量，然后将数据发送到设置的邮箱，数据处理间隔时间为10秒，邮件传输间隔时间为60秒；防水外壳1可以有效的保护手机2和外置电源3。再者，手机2具有GPS定位功能，当手机2电量过低时，可将位置信息发送到邮箱，然后人们可将该浮标进行收回、处理后进行再利用。

经自主测试表明，波浪的波向的测量最准确，在±5°以内，其次是波浪的周期准确度在88%左右，波浪的波向准确度在84%左右。测试结果表明本发明提供的智能手机2波浪浮标的波浪参数测量精度能够满足实际测量需求。

所述手机2为安卓智能手机2。安卓智能手机2应用普遍，价格低，并且配置有多种传感器，此外，基于安卓系统的app方便开发。

所述防水外壳1为中空的全封闭扁圆柱体，圆柱体的直径为20cm，方便外置电源3与手机2的固定安装，也实现了浮标的微型化设计。

本发明的核心为智能手机2，波浪监测app是利用个人计算机开发的，个人计算机方便搭建开发环境和平台，可以快速执行代码和运行一个测试app的虚拟设备，键盘和显示器具有良好的输入输出效果，运行内存和硬盘空间很大。波浪监测app主体有四个模块，分别是用户交互界面，数据获取模块，数据处理存储模块和数据传输模块；用户交互界面是用户对app最直观的体验，用户通过点击按钮和文本输入，对软件进行操作和设置，运行时界面上会显示各项统计数据；数据获取模块调用传感器以一定的频率测量运动的加速度和三轴角度，这些数据被放在数组中等待系统调用；数据处理存储模块对测量的数据进行计算和筛选，然后将结果保存到硬盘文本文件中；最后数据传输模块通过手机2以电子邮件附件形式将文本文件发送到指定邮箱。

本发明提供的智能手机波浪浮标实现波浪参数测量的技术手段为：

1、波高测量

波浪监测app里面设置有基于软件的三轴线性加速度传感器。当加速度传感器处于静止状态，其z轴加速度是当地局地加速度，大约是9.8m/s^2，当其垂向运动时，其真实加速度是测量值减去局地加速度。而三轴线性加速度传感器处于静止状态时，规定其z轴加速度是0m/s^2，从而可以直接获得运动状态的垂向加速度，使用的时候更准确简单。

垂向加速度经过两次时间积分能得到垂向位移，通过连续的位移可以获得波浪的运动状态。这里使用的是梯形数值积分法。参照图3，梯形数值积分法是一种简单准确的数值积分方法，易于在程序代码中实现。其原理是将曲线和x轴切割成多个梯形，求这个曲线的积分近似求这些梯形的面积。梯形的数量越多，积分越准确。

手机内的传感器数值发生变化都会被记录，记录此时的加速度值和系统时间，当第二次回调时，再记录加速度数值和系统时间，两次时间间隔就是测量时间，也就是Δx，这样就可以积分了。第一次加速度对时间积分得到的是速度，速度对时间积分得到的是位移。每次积分出来的速度和位移数据都会存放在对应的数组中。对位移数据基于上跨零点法，按照波高由大到小的顺序排序，取总波数的1/3个波的波高求算术平均值，即可得到有效波高。所用到的上跨零点法，指的是取观测时间间隔内平均波高为零线，把波面上升与零线相交的点作为一个波的起点。波形不规则地振动降到零线以下，接着又上升再次与零线相交，这一点作为该波的终点(也是下一个波的起点)。把这两点间的波峰最高点到波谷最低点的垂直距离定义为波高。

2、波向测量

参照图4-6，波浪监测app里面设置有调用手机内部的加速度传感器和磁场传感器组成的方向传感器，用于波向的测量。方向传感器有三个数值，分别是绕z轴旋转产生的values[0]，绕x轴旋转产生的values[1]，绕y轴旋转产生的values[2]。当手机屏幕水平向上，values[0]顺时针旋转从0-360度，正北是0/360度，values[1]和values[2]从-90-90度，箭头所指方向向上运动时数值为正。

假设设备载体的横切面是圆形，波浪过来时会倾斜，倾角最大的地方就是波向，波向相对于左边坐标轴的角度α。载体倾斜时方向传感器记录到x，y轴上两个倾角β2和β1，x轴上的倾角是绕y轴旋转产生的values[2]的值，y轴上的倾角是绕x轴旋转产生的values[1]的值，即β1=values[1]，β2=values[2]，令a=sinβ1，b=sinβ2，在一象限，a，b<0，波向α=arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)；在第二象限a<0，b>0，波向α=arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)；第三象限，a，b>0，波向α=arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)；在第四象限a>0，b<0，波向α=arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)；再结合其象限和values[0]数值，可以算出波向的地理方向。具体方法是根据a和b的正负判断象限，在第四象限加90度，在第三象限加180度，在第四象限加270度求出波向相对y轴负方向的角度，再加上values[0]地理方向求出波向地理方向；当检测到载体上升时，取原值，下降时减去180度。

3、周期测量

每次进行波高测量时，就把当前系统时间被放在时间数组中，当上一次速度和这一次速度方向不一样时可以判断出现了波峰或者波谷，计算时间数组中最后一个值和前一个的差值，连续记录两个差值，它们的和就是一个周期。

Claims (3)

1.一种智能手机波浪浮标，其特征在于：该浮标包括手机、外置电源和防水外壳，手机与外置电源固定安装在防水外壳内，手机通过数据线与外置电源连接；所述手机上安装有波浪监测app，波浪监测app包括调用手机内部的计时器、加速度传感器和磁场传感器的数据获取模块、进行波浪参数计算的数据处理存储模块和调用手机内部的邮件模块进行邮件发送的数据传输模块；

（1）波高的测量

波浪监测app的数据获取模块调用手机内部的加速度传感器直接获取运动状态的垂向加速度，数据处理存储模块对垂向加速度进行两次时间积分计算出垂向位移，通过连续的位移获得波浪的连续运动状态，对位移数据采用上跨零点法，按照波高由大到小的顺序排序，取总波数的三分之一个波的波高计算算术平均值，算出波高；

(4)波向的测量

以手机的中心为坐标原点，以手机的横向为x轴，手机的纵向为y轴，手机的竖向为z轴，建立笛卡尔坐标（x，y，z）；规定手机与绕z轴、x轴和y轴旋转产生的角为r1、r2和r3，当手机屏幕水平向上时，手机顺时针旋转，r1为0-360度，正北为0或360度，r2和r3为-90-90度；波浪监测app的数据获取模块调用手机内部的加速度传感器和磁场传感器获得r1、r2和r3，令a=sin(r1)，b=sin(r2)，结合a和b的正负，计算arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)或arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)，算出波向；

(3)周期的测量

波浪监测app的数据处理存储模块每次进行波高计算时，调用手机内部的计时器把当前系统时间存放在时间数组中，通过速度的方向判断下次出现波峰或波谷的时间，并存放在时间数组中，计算时间数组中最后一个时间和前一个时间的差值并记录，相加两个连续记录的差值计算出周期；

（4）波浪参数的发送

波浪监测app的数据处理存储模块按设定的时间段对该时间段内的波浪的波高、波向和周期的数据进行分组储存到文本文件中，然后通过数据传输模块调用手机内部的邮件模块将储存数据的文本文件按照设置的邮件传输时间段分时段发送到预先设置的邮箱。

2.根据权利要求1所述的智能手机波浪浮标，其特征在于：所述手机为安卓智能手机。

3.根据权利要求1所述的智能手机波浪浮标，其特征在于：所述防水外壳为中空的全封闭扁圆柱体，圆柱体的直径为20cm。