CN109302201B - 小型海洋通讯转换装置及海洋通讯转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种小型海洋通讯转换装置及其应用，该装置包括水上系统、水下系统、中间转换系统，所述水上系统经中间转换系统连接水下系统；所述水上系统由一个GPS天线定位模块、一组多通道无线收发模块、一组太阳能电池模块和一组电磁铁收放模块组成，它连接了一台嵌入式计算机；所述中间转换系统为STM32芯片；所述水下系统由声波换能器及发射装置、滤波器、动力定位模块以及声波换能器接收装置组成；所述嵌入式计算机经STM32芯片连接动力定位模块、声波换能器及发射装置和滤波器；所述声波换能器及发射装置经声波换能器接收装置连接滤波器。本发明解决了在大型复杂海洋环境里，难以灵活便携地进行多种勘探设备之间的通讯转换、中继和网络搭建问题。应用场景主要可用于海洋勘探过程中的多设备信息互传场合以及海上通讯延长的场合。

Description

小型海洋通讯转换装置及海洋通讯转换方法
技术领域
本发明涉及海洋通讯领域，具体涉及一种能够进行水上水下电磁波与声波相互转换且轻便易布放回收的小型海洋通讯转换装置及其应用。
背景技术
当前，随着人们对海洋资源的不断开发利用，对海洋的勘探需求越来越多。某些复杂地形不适合大型船只和大型机器的应用，一些小型化、智能化海洋勘探设备如水面无人艇、水下无人潜艇器或是水下机器人这类设备不断涌现。但是一个大型的环境只靠少量的小艇和水下探测机器人是无法完成的，因此需要较多数量不同类型的设备来协作完成，此时勘探设备间通讯的应用场景不但有水上无线电通讯也有水下声波通讯，且他们之间的电子通讯无法中继是一个比较棘手的问题。目前，市面在售的水下通讯设备技术趋于成熟，水下通讯网络搭建有例可循，但是水面勘探设备及监察无人机加入通讯网仍然存在问题。有一些可用于通讯转换的海洋监测浮标，但是这种浮标便携性较差，无法灵活便携地完成通讯网络的建立。若是通过水面无人平台搭载通讯基站来维持通讯会造成工作范围受限于水面无人平台的周边位置，无法扩大工作范围会导致工作效率降低。因此针对以上问题本发明采用一种可布放回收式的小型通讯转换装置来中继工作空间中不同种类的设备，灵活地建立通讯网络来解决问题。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种小型海洋通讯转换装置及其应用，它是一种可布放回收式的水上与水下通讯转换装置，应用其搭建通讯网络，解决在海洋作业中多设备工作中通讯困难，难以灵活地搭建通讯网络的问题。
为解决以上问题，本发明的构思是：
使用一种能够进行水上与水下通讯的便携的通讯转换装置，应用其搭建通讯网络。此小型海洋通讯转换装置包括：水上系统、水下系统、中间转换系统。仪器的水上系统包括GPS天线定位模块、多通道无线收发模块、太阳能电池模块与电磁布放回收模块；仪器的转换系统主要部件为STM32芯片；仪器的水下系统包括声波换能器、滤波器及动力定位装置。其应用主要为搭建通讯网络。通讯网络利用不同策略将不同种类、不定数量的勘探设备接入到主控台。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：所述小型海洋通讯转换装置包括水上系统、水下系统、中间转换系统，所述水上系统经中间转换系统连接水下系统；所述水上系统由一个GPS天线定位模块、一组多通道无线收发模块、一组太阳能电池模块和一组电磁铁收放模块组成，它连接了一台嵌入式计算机；所述中间转换系统为STM32芯片；所述水下系统由声波换能器及发射装置、滤波器、动力定位模块以及声波换能器接收装置组成；所述嵌入式计算机经STM32芯片连接动力定位模块、声波换能器及发射装置和滤波器；所述声波换能器及发射装置经声波换能器接收装置连接滤波器。
通讯转换装置的水上系统的GPS天线定位模块由GPS天线与北斗组成，采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机；多通道无线收发模块由无线电天线和信号处理模块组成，使用自定协议通过以太网连接至嵌入式计算机；太阳能电源模块由太阳能电池板和信息采集器组成，采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机，只传回电池板采光信息跟电源信息，不做控制；电磁铁收放模块由外部“F”型结构和内部可控电磁铁电路组成，控制器采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机。水上通讯模块通过以太网接入到信息转换模块。
通讯转换装置的中间转换模块由一块STM32芯片和外接线组成，与水上系统的外接接口为以太网口，与水下模块的连接采用特制的接口，安装时与水下系统安装在同侧。
通讯转换装置的水下系统的动力定位模块由四个电力驱动的动力装置组成，其动力分配控制过程由中间系统的STM32芯片进行控制；声波转换模块由声波换能器、滤波器以及信号放大器组成，通过特制线缆接口连接到中间系统。
小型海洋通讯转换装置的应用具体为利用小型海洋通讯转换装置搭建点对点式与编队式通讯网络。点对点通讯网络以所述小型通讯转换装置作为连接节点，无论是水上还是水下其他海洋探测设备，都由一个通讯转换装置单独与之相连，再将同一片区域内的通讯转换装置接入到控制中心；编队式通讯网络利用所述通讯转换装置作为连接节点，将多个同种或不同种设备接入到一个通讯转换装置，编为一个小队，再将不同的小队接入到控制中心。
与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出优点和技术进步：
本发明解决了在较大的海洋环境下，不能方便简捷地建立通讯网络的问题。所提出的小型通讯转换装置能够进行无线电和声波的转换，能更方便地建立多层次的勘探设备网；便于携带，利用电磁铁跟外部结构能更方便地进行布放回收，使用方便，建立网络便捷灵活。应用该装置完成的网络搭建方式实用性高，能够根据不同作业灵活选择或混编。
附图说明
图1是小型海洋通讯转换装置整体结构示意图。
图2是小型海洋通讯转换装置内部系统结构框图。
图3是小型点对点通讯网络示意图。
图4是小型编队式通讯网络示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。
实施例一：
如图1和图2所示，本小型海洋通讯转换装置包括水上系统(Ⅰ)、水下系统(Ⅲ)、中间转换系统(Ⅱ)，其特征在于：所述水上系统(Ⅰ)经中间转换系统(Ⅱ)连接水下系统(Ⅲ)；所述水上系统由一个GPS天线定位模块(1)、一组多通道无线收发模块(2)、一组太阳能电池模块(5)和一组电磁铁收放模块(6)组成，它连接了一台嵌入式计算机(7)；所述中间转换系统为STM32芯片(8)；所述水下系统(Ⅲ)由声波换能器及发射装置(3)、滤波器(10)、动力定位模块(2)以及声波换能器接收装置(9)组成；所述嵌入式计算机(7)经STM32芯片(8)连接动力定位模块(2)、声波换能器及发射装置(3)和滤波器(10)；所述声波换能器及发射装置(3)经声波换能器接收装置(9)连接滤波器(10)。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述水上系统(Ⅰ)的GPS天线定位模块(1)由GPS天线与北斗组成，采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机(7)；所述多通道无线收发模块(2)由一个无线电天线(4)和信号处理模块组成，使用自定协议通过以太网连接至嵌入式计算机(7)；所述太阳能电源模块(5)由太阳能电池板和信息采集器组成，采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机，只传回电池板采光信息跟电源信息，不做控制；电磁铁收放模块(6)由一个外部“F”型结构和内部可控电磁铁电路组成，电磁铁控制器采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机(7)。水上系统(Ⅰ)通过以太网接入到中间层转换系统(Ⅱ)。所述中间转换系统(Ⅱ)由一块STM32芯片(8)和外接线组成，与水上系统(Ⅰ)的外接接口为以太网口，与水下系统(Ⅲ)的连接采用特制的接口，安装时与水下系统(Ⅲ)安装在同侧。所述水下系统(Ⅲ)的动力定位模块(2)由四个电力驱动的动力装置组成，其动力分配控制过程由中间转换系统(Ⅱ)的STM32芯片(8)进行控制；声波换能器及发射装置(3)、声波换能器接收装置(9)以及滤波器(10)组成，通过特制线缆接口连接到中间系统(Ⅱ)。
实施例三：
如图3和图4所示，点对点网络通过将单一设备与单一通讯转换装置相连，再将不同的通讯转换装置连成不同的区域节点接入到主控台。这种网络接入方式比较适合设备较少状况下，主控台对各个设备进行直接控制的场合。编队网络通过将多个不同种或同种设备接入到一个通讯转换装置形成一个“队”，再以队的形式将通讯转换装置接入到主控台或通讯转换装置。这种编队的方式比较适合设备较多或是不同小队执行不同任务的场合。通过将点对点与编队网络混编可以实现在大型环境下，主控台只管理重要的几台勘探设备，而其他编队各自管理的功能。
本发明的工作过程如下：
本发明能够较为方便地在较大的环境中搭建水上与水下的通讯网络。其具体使用方式如下，开始使用时将一系列通讯转换装置通过船载的与“F”型电磁铁相配的吊钩吸附吊起，垂放到海面，关闭电磁铁，布放到海中，接着总控台打开通讯转换装置上的动力定位系统，搭载的小型动力定位系统能保证在低海况的情况下通讯转换装置不会偏离放置位置太远。布放完成后开始搭建通讯网络，将通讯转换装置及各个环境勘探设备采用编号分为三组，水上组、水下组及通讯转换装置组，并根据组别对各个设备进行单独编号，编号序号接入到网络中即可，接着测试所有通讯转换装置的通讯，通过一条询问所有通讯转换装置的指令来完成。通讯网络搭建完成后，开始进行环境勘探作业，期间通讯转换装置之间互发心跳包和实时位置，保证实时的通讯检测；若是工作时需新加入设备，总控台可以通过远程配置加入设备号，便于管理；当工作时需要去除某一设备时，可以通过远程配置去除某一设备，此时原本的设备号将会被空出，可以分配给新加入的设备；若是暂时退出可不进行去除配置，此时与此设备相连的通讯转换装置将不会收到来自此设备的信息；当工作时需加入新的通讯转换装置时，须总台发布许可才可加入网络，通讯转换装置加入时可以默认添加一台与之相连的设备，设备号默认为已记录设备号加一；当删除一台通讯转换装置时，需通知总控台，否则总控台会收到通讯转换装置丢失的警报，此时与其相连的所有设备都会默认被删除。当结束工作后，总控台先断开所有网络里相接的勘探设备，接着主控台发布指令查询每个通讯转换装置的具体位置，船只到具体位置利用电磁铁装置将通讯转换装置吸附回收之后，关闭通讯转换装置，任务完成。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种小型海洋通讯转换装置，包括水上系统(Ⅰ)、水下系统(Ⅲ)、中间转换系统(Ⅱ)，其特征在于：所述水上系统(Ⅰ)经中间转换系统(Ⅱ)连接水下系统(Ⅲ)；所述水上系统(Ⅰ)由一个GPS天线定位模块(1)、一组多通道无线收发模块 (4)、一组太阳能电源模块(5)和一组电磁铁收放模块(6)组成，它连接了一台嵌入式计算机(7)；所述中间转换系统包括STM32芯片(8)；所述水下系统(Ⅲ)由声波换能器发射装置(3)、滤波器(10)、动力定位模块(2)以及声波换能器接收装置(9)组成；所述嵌入式计算机(7)经STM32芯片(8)连接动力定位模块(2)、声波换能器发射装置(3)和滤波器(10)；所述声波换能器发射装置(3)经声波换能器接收装置(9)连接滤波器(10)；电磁铁收放模块(6)包括“F”型电磁铁；
开始使用时，将一系列通讯转换装置通过船载的与“F”型电磁铁相配的吊钩吸附吊起，垂放到海面，关闭电磁铁，布放到海中，接着总控台打开通讯转换装置上的动力定位模块，搭载的小型动力定位模块能保证在低海况的情况下，通讯转换装置不会偏离放置位置太远；布放完成后开始搭建通讯网络，将通讯转换装置及各个环境勘探设备采用编号分为三组，水上组、水下组及通讯转换装置组，并根据组别对各个环境勘探设备进行单独编号，编号序号接入到网络中；接着测试所有通讯转换装置的通讯，通过一条询问所有通讯转换装置的指令来完成；通讯网络搭建完成后，开始进行环境勘探作业，期间通讯转换装置之间互发心跳包和实时位置，保证实时的通讯检测；若是工作时需新加入环境勘探设备，总控台通过远程配置加入环境勘探设备号，便于管理；当工作时需要去除某一环境勘探设备时，通过远程配置去除某一环境勘探设备，此时原本的环境勘探设备号将会被空出，分配给新加入的环境勘探设备；若是暂时退出可不进行去除配置，此时与此环境勘探设备相连的通讯转换装置将不会收到来自此环境勘探设备的信息；当工作时需加入新的通讯转换装置时，须总控台发布许可才可加入网络，通讯转换装置加入时可以默认添加一台与之相连的环境勘探设备，环境勘探设备号默认为已记录环境勘探设备号加一；当删除一台通讯转换装置时，需通知总控台，否则总控台会收到通讯转换装置丢失的警报，此时与其相连的所有环境勘探设备都会默认被删除；当结束工作后，总控台先断开所有网络里相接的环境勘探设备，接着总控台发布指令查询每个通讯转换装置的具体位置，船只到具体位置利用与“F”型电磁铁相配的吊钩将通讯转换装置吸附回收之后，关闭通讯转换装置，任务完成。
2.根据权利要求1所述的小型海洋通讯转换装置，其特征在于：所述水上系统(Ⅰ)的GPS天线定位模块(1)由GPS天线与北斗组成，采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机(7)；所述多通道无线收发模块 (4)由一个无线电天线和信号处理模块组成，使用自定义协议通过以太网连接至嵌入式计算机(7)；所述太阳能电源模块(5)由太阳能电池板和信息采集器组成，采用RS232协议，使用串口连接至嵌入式计算机，只传回电池板采光信息和电源信息，不做控制；电磁铁收放模块(6)还包括内部可控电磁铁电路，使用串口连接至嵌入式计算机(7)；水上系统(Ⅰ)通过以太网接入到中间转换系统(Ⅱ)。
3.根据权利要求1所述的小型海洋通讯转换装置，其特征在于：所述中间转换系统(Ⅱ)还包括外接线，与水上系统(Ⅰ)的外接接口为以太网口，与水下系统(Ⅲ)的连接采用特制的接口，安装时与水下系统(Ⅲ)安装在同侧。
4.根据权利要求1所述的小型海洋通讯转换装置，其特征在于：所述水下系统(Ⅲ)的动力定位模块(2)由四个电力驱动的动力装置组成，其动力分配控制过程由中间转换系统(Ⅱ)的STM32芯片(8)进行控制；所述水下系统(Ⅲ)通过特制线缆接口连接到中间转换系统(Ⅱ)。
5.一种海洋通讯转换方法，利用权利要求1所述的小型海洋通讯转换装置进行海洋通讯转换，其特征在于：
搭建点对点式或编队式通讯网络；
点对点通讯网络以所述小型海洋通讯转换装置作为连接节点，无论是水上还是水下其他环境勘探设备，都由一个通讯转换装置单独与之相连，再将同一片区域内的通讯转换装置接入到一个控制中心；
编队式通讯网络利用所述通讯转换装置作为连接节点，将多个不同种或同种环境勘探设备接入到一个通讯转换装置，编为一个小队，再将不同的小队接入到一个控制中心。
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