CN110366128A - 一种可快速部署的海上通信节点通用装备 - Google Patents

一种可快速部署的海上通信节点通用装备 Download PDF

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黄刚
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Abstract

本发明公开了一种可快速部署的海上通信节点通用装备，主要包括浮体、信息采集及通信系统和电源系统等，可以作为小型化海上观测平台载体与通信载体。本发明通过机械支撑结构将通信天线加高，并采用中空的天线馈线管将天线馈线引入浮体内部，在保证水密的前提下，使得天线高度提高。通信节点选用433MHz免申请通信频段，并采用低功耗远距离通信模块作为通信节点的通信传输方式，降低了节点部署难度与部署成本。同时采用通用的数据传输接口，可以兼容不同的测量传感器，提高了节点对于不同传感器的兼容能力；同时提高了设计的通信节点的应用范围。针对小尺度范围下低功耗信息传输的需求。

Description

一种可快速部署的海上通信节点通用装备
技术领域
本发明涉及海上通信技术领域，具体涉及一种可快速部署、支持多种测量仪器挂载以及远距离传输组网的海上通信节点通用装备。
背景技术
海上小尺度环境下海洋参数的传递往往需要借助漂浮式平台，如：海上环境污染监测、海洋地理信息获取、水产养殖环境监测等。在这些应用场景中，参数多样、数据量适中、数据实时性要求高、监测区域变化快，同时要求信息传递的平台能够在保证速率的前提下，能够覆盖尽量宽的区域，能够快速的部署。为了解决以上海上通信需求，典型的解决方案是借助卫星通信或者商用蜂窝网络通信。但考虑实现的成本、商用蜂窝网络的基站覆盖范围、海上漂浮式通信平台的发射功率等因素，借助卫星通信或者商用蜂窝网络通信的漂浮式平台很难满足以上通信的要求。
同时海上小尺度环境下海洋参数的传递中，对于参数的需求呈现多尺度、多样化的趋势。海洋环境参数如：温度、pH值、电导率、盐度、深度、溶解氧、浊度等，可能仅依靠一种测量传感器无法完成所有参数的获取。在典型的海上漂浮式通信平台中，搭载不同的测试设备可能需要不同的测试平台，这不利于参数的集中获取和平台的统一。
现有技术和系统存在以下缺点和不足：
(1)现有小尺度衰落环境下的海洋参数传递平台多借助于卫星通信或者商用蜂窝网络通信方式，其成本较高、通信覆盖范围受限，还可能产生二次资费，不适用于成本受控制的应用环境。
(2)小尺度衰落环境下海洋参数变化快，需要平台可以快速的部署，同时可以根据不同参数的测量需求，可以挂载不同的测量设备，现有平台对于多种类设备的兼容性不足，不同的测量设备需要挂载在不同平台下。
(3)现有的漂浮式通信节点中，传输距离有限，很难达到大的覆盖范围。为了覆盖测量范围，可能需要多个观测平台，观测成本过高。
发明内容
针对海洋漂浮式通信节点的缺点和不足，本发明提供一种可快速部署的海上通信节点通用装备，本发明易于部署、传输距离远、低成本可兼容多种测量传感器，解决小尺度衰落范围下海洋参数测量中，无线通信节点部署难度大、覆盖范围有限、成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种可快速部署的海上通信节点通用装备，作为海上通用传感器设备载体及数据传输平台，采用低带宽、低功耗、远距离的通信技术，实现海洋环境数据的采集、格式化处理和发送；该装备包括：天线设备、浮体、传感器设备、机械支撑机构、信息采集及通信系统和电源系统；所述天线设备包括433MHz通信天线和卫星定位天线；所述433MHz通信天线通过天线馈线连接至所述信息采集及通信系统；所述浮体的外壳为球形设计，所述浮体内为仪器舱室，所述信息采集及通信系统和电源系统安装在所述仪器舱室内，所述浮体的底部挂载有传感器设备和平衡配重；所述机械支撑机构用于安装和支撑433MHz天线、卫星定位天线、水密电源开关及充电接口和水密数据传输接口；所述信息采集及通信系统包括数据转换模块、信息采集模块、卫星定位模块、射频前端模块和中心处理模块；所述433MHz通信天线通过天线馈线与所述射频前端模块连接；所述卫星定位天线通过连线与所述卫星定位模块连接；所述传感器设备通过水密数据传输接口与所述数据转换模块连接，然后将转换后的数据输入信息采集模块作为发射原始数据；所述中心处理模块向信息采集模块和卫星定位模块发送数据请求指令，并接收回传数据，中心处理模块进行数据处理并发送至射频前端模块，经由433MHz通信天线向外发送；所述电源系统包括供电电池、水密电源开关及充电接口、充电转换模块和稳压模块，其中，所述水密电源开关及充电接口采用一体化设计，通过水密电源开关及充电接口实现外部电源与仪器舱内部充电转换模块之间的连接。
进一步讲，本发明可快速部署的海上通信节点通用装备，其中，所述浮体底部设有传感器设备挂载装置，所述传感器设备挂载装置采用圆盘形设计，在该圆盘上按照通用尺寸设计有若干固定孔，用于安装多种类型传感器。
所述机械支撑机构包括天线馈线管、支撑架和设置在仪器舱室顶部的仪器舱盖；所述433MHz天线通过天线固定法兰安装在天线馈线管上方，所述天线馈线管的下部通过一个固定法兰与仪器舱盖连接；所述支撑架用于支撑天线馈线管保持稳定；所述卫星定位天线、水密电源开关及充电接口和水密数据传输接口均安装在所述仪器舱盖上。
所述浮体外部固定有用于系留测量仪器和回收缆绳的系留机构，所述系留机构为一圆环，在该圆环与浮体的外壳之间在径向上连接与多个支撑杆。
所述信息采集模块包括通信接口和传感器采集单元，接收中心处理模块的数据请求信息并将传感器设备采集的数据回传。
所述卫星定位模块兼容GPS定位及北斗定位，卫星定位模块接收中心处理模块的数据请求信息并回传定位信息。
所述射频前端模块的工作频率为433MHz频段，传输模式包括：接收中心处理模块数据，并通过433MHz通信天线向外传输；通过433MHz通信天线接收外部发送的配置指令，传到中心处理模块并完成自身配置。
所述中心处理模块包括通信接口、数据处理单元和射频配置单元，对数据进行处理、存储及转发，实现对其他各个模块的管理、控制以及工作参数的配置。
所述射频配置单元通过无线方式在线变更射频参数及工作状态，包括：支持在线配置射频前端模块传输的空中速率，支持在线配置射频前端模块的工作模式，所述工作模式包括正常收发模式、配置模式或休眠模式；所述射频配置单元根据实时海况改变工作模式与传输参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的海上通信节点通用装备将物联网中的低功耗远距离通信技术应用到通信节点的通信中，提高了通信的距离和通信质量，降低了节点的部署难度。同时通信频段选用433MHz免申请通信频段，降低了通信节点应用的成本。同时本发明中的通信节点数据传输接口采用通用接口设置，通过数据转换模块转换不同测量设备的数据格式，提高了通信节点的兼容能力和应用范围。
附图说明
图1是本发明海上通信节点通用装备的结构示意图；
图2是本发明中仪器舱盖安装的俯视图；
图3是本发明中密电源开关及充电接口和水密数据传输接口连接示意图；
图4是本发明中信息采集及通信系统框图；
图5是本发明中通信工作流程图；
图6是本发明中射频配置单元工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明可快速部署的海上通信节点通用装备做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明的可快速部署的海上通信节点通用装备，主要包括：天线设备、浮体、传感器设备、机械支撑机构、信息采集及通信系统和电源系统。
图1给出了所设计的通信节点通用装备的各个部件的连接关系图，分别为433MHz通信天线1、天线固定法兰2、天线馈线3、天线馈线管4、支撑架5、卫星定位天线6、仪器舱室7、仪器舱盖8、浮体外壳9、馈线/连接线10、设备系留机构11、信息采集及通信系统12、电源模块13、设备安装架14、传感器挂载装置15、平衡配重挂环16。
浮体用于提供通信节点在水中的浮力，整体采用小型球形设计。浮体内部中空是安装仪器设备的仪器舱室7，所述信息采集及通信系统和电源系统安装在所述仪器舱室7内，浮体的外壳9采用金属材料压制而成。浮体球外部安装有可系留测量仪器和回收缆绳的系留机构11，采用圆环设计，圆环的外回转表面为球面，在圆环通过的球体球心水平截面与浮体的外壳9连接处通过多个径向布置的支撑杆固定。浮体的底部焊接有用于挂载传感器设备的传感器挂载装置15，所述传感器设备挂载装置15采用圆盘形设计，在该圆盘上按照通用尺寸设计有若干固定孔，可以挂载多种型号的传感器。传感器挂载装置15底部的中间位置焊接有用于挂载平衡配重的平衡配重挂环16，用于浮标平衡的配重。
所述天线设备包括433MHz通信天线1和卫星定位天线6。所述机械支撑机构包括天线馈线管4和设置在仪器舱室7顶部的仪器舱盖8。所述433MHz天线1的底部设计有固定法兰，同时在天线馈线管4的顶部也设计有配套的固定法兰2，法兰都留有螺孔，可以通过螺丝固定，所述433MHz天线1通过天线固定法兰2安装在天线馈线管4上方，天线馈线管4内部采用中空设计，除了顶部的天线固定法兰2之外，在天线馈线管4的底部也安装有一个固定法兰18，如图2所示，固定法兰18中间是馈线孔19，用以固定天线馈线管4，并进行水密处理，使所述天线馈线管4与仪器舱盖8连接。为了提高天线的稳定性，在天线馈线管4的两侧固定有支撑架5，支撑架5的底部与仪器舱盖8上部通过螺栓连接，所述水密数据传输接口20均安装在所述仪器舱盖8上，天线馈线3位于天线馈线管4的内部，使得所述433MHz通信天线1通过天线馈线3连接至仪器舱室7内部的所述信息采集及通信系统12。本发明中，天线馈线管4采用轻型材料制成，从而减轻了浮体上部机械部分的质量。
如图2所示，浮体的仪器舱室7的上部通过仪器舱盖8进行密封，仪器舱盖8的边缘部分有固定的螺孔22，可以安装螺丝进行固定。433MHz通信天线1的馈线孔19位于圆形法兰盘的中间部分，采用法兰固定的形式，法兰上开有螺孔，可以通过螺丝进行固定。同样，卫星定位天线6也采用卫星天线固定法兰17固定的形式，也开有固定螺孔。仪器舱盖8上还有内外部连接的水密数据传输接口20和水密电源开关及充电接口21，其中，水密电源开关及充电接口21采用复合式一体化设计，将设备运行的电源开关和电池充电合二为一，节约了开头数量，减少了法兰设计的复杂度。外部传感器测量设备可通过水密数据传输接口20与内部控制单元进行数据通信。
图3给出了水密数据传输接口20和水密电源开关及充电接口21与相关部分的连接关系。为了减少连接法兰盘上的开头数量，本发明通信节点通用装备的水密电源开关及充电接口21采用一体化设计，通过不同的接插件形式区分。具体为：在法兰盘上固定为水密接插件的母头，母头的接头数量为四芯，其中，两芯的线路与充电转换模块连接，通过充电转换模块后与供电电池连接，电池通过一稳压模块向通信模块供电。另外两芯用作开关线路，与通信模块的电源开关(信息采集及通信系统)连接。对于外部的接头，其中用作开关的水密公头对应的两芯接线与机械开关连接，用作充电的水密公头对应的两星接线与外部充电电源连接。数据传输接口也采用水密接插件设计，焊接在法兰盘上，采用两芯设计，连接外部的传感器设备，所述传感器设备通过水密数据传输接口20与所述数据转换模块连接，然后将转换后的数据输入信息采集模块作为发射原始数据。
图4给出了信息采集与通信系统连接图。各模块安装在浮标的外壳9内部的即仪器舱室7内，所述信息采集及通信系统12包括数据转换模块、信息采集模块、卫星定位模块、射频前端模块(包括射频模块和控制单元)以及中心处理模块；所述433MHz通信天线1通过天线馈线3与所述射频模块连接；所述卫星定位天线6通过连线与所述卫星定位模块连接；所述传感器设备通过水密数据传输接口20与所述数据转换模块连接，然后将转换后的数据输入信息采集模块作为发射原始数据；所述中心处理模块向信息采集模块和卫星定位模块发送数据请求指令，并接收回传数据，中心处理模块进行数据处理并发送至射频前端模块的控制单元，经由433MHz通信天线1向外发送。
所述信息采集模块，包括通信接口和传感器采集单元，所述传感器采集单元通过通信接口连接外部的传感器设备。传感采集单元接收中心处理模块的数据请求信息并将传感器采集的数据回传；所述通信接口包括数据转换模块、水密数据传输接口及传感器连接线。本实施例中，数据转换模块采用RS485转RS232模块，其中RS485转RS232模块放置在浮标内部，RS485端连接到舱盖上的水密接口。传感器连接线集成水密插头，插入外部的水密接口实现与内部连接。
所的述卫星定位模块兼容GPS定位及北斗定位，可根据实际需求进行模式选择。卫星定位模块通过馈线外部连接卫星定位天线6，卫星定位模块接收中心处理模块的数据请求信息并回传定位信息。
所述射频前端模块的工作频段选用433MHz免申请通信频段，有两种主要传输模式，一是接收中心处理模块数据，并通过433MHz通信天线向外传输；二是通过433MHz通信天线接收外部发送的配置指令，传到中心处理模块并完成自身配置。
所述中心处理模块是整个系统的数据处理中心及控制中心，主要包括通信接口、数据处理单元和射频配置单元，所述中心处理模块对数据进行处理、编码、存储及转发，实现对其他各个模块的管理、控制以及工作参数的配置。本实施例中，中心处理模块采用ARM来实现，进行数据的分包、CRC校验编码、信道编码等工作。
所述射频配置单元的功能是配置射频前端模块的工作参数，支持在浮标外部通过无线方式在线变更射频参数及工作状态。工作原理是首先配置射频前端模块进入接收状态，通过天线接收到外部发送的特定格式的配置命令，解析配置命令并更改射频模块的工作参数，控制射频模块进入发射状态并以配置的模式进行数据发送。主要功能包括：通过无线方式在线变更射频参数及工作状态，包括：支持在线配置射频前端模块传输的空中速率，支持在线配置射频前端模块的工作模式，射频前端模块支持不同的工作模式包括：所述工作模式包括休眠模式、参数配置模式(AT模式)和正常收发模式；所述射频配置单元根据实时海况改变工作模式与传输参数。各个模式的具体描述如下：(1)休眠模式，射频前端模块只开启晶体振荡器与基带模块，关闭射频模块与PLL模块，关闭数据解码模块，系统工作在低功耗模式。(2)参数配置模式(AT模式)，开启晶体振荡器与基带模块，并开启射频模块与PLL模块，前端工作在连续接收模式，等待配置端的配置参数。(3)正常收发模式，系统根据配置端的配置参数或者默认工作参数及发射功率进行正常的数据收发。
所述电源系统13包括供电电池、水密电源开关及充电接口21、充电转换模块和稳压模块，其中，水密电源开关及充电接口位于仪器舱上部，连接外部充电电源与仪器舱内部充电控制模块，所述水密电源开关及充电接口21采用一体化设计，所述供电电池采用12V锂电池，并可根据应用场景灵活配置安装容量；通过水密电源开关及充电接口21实现外部电源与仪器舱内部充电转换模块之间的连接。可从外部对浮标内电池进行充电；电池通过稳压模块转换为5V电源输出，供设备使用。
图5给出了通信系统的工作流程图。在通信节点通用装备接通水密电源开关后，系统上电开始工作，首先进行系统初始化配置，射频配置单元自动进入参数配置模式，并设置射频模块的的工作参数，设置完成之后系统定时器开启(20s)，并在定时器定时范围内进行射频数据接收，如果查询到配置命令字，检验命令字格式是否符合要求，如果符合要求，射频配置单元将创建回复信号并切换到发射模式，把回复信号发射至配置端，有助于配置端查询当前工作模式。系统在定时时间结束之后会查询射频通信配置的结果，并按照所配置的参数切换到发射模式进行工作。如果系统在定时时间内未收到配置命令或者收到的配置命令字格式不符合要求，则系统按照默认工作参数(空中速率等级6)进行配置，并切换至发射模式，进行数据发送。通信节点在完成当前的数据传输要求后会自动进入参数配置模式，此时可再次对工作参数进行配置。在长时间没有通信任务的情况下，控制端会配置系统进入休眠模式以节省功耗。
本发明通信节点通用装备采用统一标准化的参数配置模式，区分不同的空中速率等级，可根据具体的通信距离及通信速率要求选择空中速率等级。其中，可采用两种方式对通信参数进行配置，一是系统内部可根据实际的工作环境对通信节点进行参数配置，二是可通过外部无线方式对通信节点的参数进行配置。
图6给出了配置端从外部对系统进行配置的工作流程图，配置端首先初始化前端通信模块，使通信模块工作在配置参数下，并等待串口传输命令控制字。判断命令字格式，可分为三种模式:配置发射模式、配置接收模式、正常接收模式。根据不同的传输模式生成不同的配置命令字，通过射频通信的模式将命令字发送到通信节点通用装备内。在配置发射模式下，首先配置空中速率等级1，切换至发射模式并连续两次发射，完成后LED灯闪烁提示，配置结束；在配置接收模式下，配置空中速率等级1，切换到接收模式，进行数据校验，校验成功后上传数据，配置过程结束；在正常接收模式下，解码配置参数，进行参数配置，并切换到接收模式，接收数据并上传。
空中速率等级按照空中传输时间不同分为7个速率等级。其中，从速率等级2至速率等级7，速率等级越高，空中传输时间越长，支持的最大通信距离越远，通信传输速率越低。速率等级1为选择的默认参数配置空中速率等级，各个空中速率等级下的参数配置如表1所示。
表1各空中速率等级下的参数配置
综上，本发明通过机械支撑结构将通信天线加高，并采用中空的天线馈线管将天线馈线引入浮体内部，在保证水密的前提下，使得天线高度提高。通信节点选用433MHz免申请通信频段，并采用低功耗远距离通信模块作为通信节点的通信传输方式，降低了节点部署难度与部署成本。同时采用通用的数据传输接口，可以兼容不同的测量传感器，提高了节点对于不同传感器的兼容能力；同时提高了设计的通信节点的应用范围。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种可快速部署的海上通信节点通用装备，包括：天线设备、浮体、传感器设备、机械支撑机构、信息采集及通信系统和电源系统；其特征在于：
该装备作为海上通用传感器设备载体及数据传输平台，实现海洋环境数据的采集、格式化处理和发送；
所述天线设备包括433MHz通信天线(1)和卫星定位天线(6)；所述433MHz通信天线(1)通过天线馈线(3)连接至所述信息采集及通信系统；
所述浮体的外壳(9)为球形设计，所述浮体内为仪器舱室(7)，所述信息采集及通信系统和电源系统安装在所述仪器舱室(7)内，所述浮体的底部挂载有传感器设备和平衡配重；
所述机械支撑机构用于安装和支撑433MHz天线(1)、卫星定位天线(6)、水密电源开关及充电接口(21)和水密数据传输接口(20)；
所述信息采集及通信系统(12)包括数据转换模块、信息采集模块、卫星定位模块、射频前端模块和中心处理模块；所述433MHz通信天线(1)通过天线馈线(3)与所述射频前端模块连接；所述卫星定位天线(6)通过连线与所述卫星定位模块连接；所述传感器设备通过水密数据传输接口(20)与所述数据转换模块连接，然后将转换后的数据输入信息采集模块作为发射原始数据；所述中心处理模块向信息采集模块和卫星定位模块发送数据请求指令，并接收回传数据，中心处理模块进行数据处理并发送至射频前端模块，经由433MHz通信天线(1)向外发送；
所述电源系统(13)包括供电电池、水密电源开关及充电接口(21)、充电转换模块和稳压模块，其中，所述水密电源开关及充电接口(21)采用一体化设计，通过水密电源开关及充电接口(21)实现外部电源与仪器舱内部充电转换模块之间的连接。
2.根据权利要求1所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述浮体底部设有传感器设备挂载装置(15)，所述传感器设备挂载装置(15)采用圆盘形设计，在该圆盘上按照通用尺寸设计有若干固定孔，用于安装多种类型传感器。
3.根据权利要求1所述所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述机械支撑机构包括天线馈线管(4)、天线架(5)和设置在仪器舱室(7)顶部的仪器舱盖(8)；所述433MHz天线(1)通过天线固定法兰(2)安装在天线馈线管(4)上方，所述天线馈线管(4)的下部通过一个固定法兰(18)与仪器舱盖(8)连接；所述支撑架(5)用于支撑天线馈线管(4)保持稳定；所述卫星定位天线(6)、水密电源开关及充电接口(21)和水密数据传输接口(20)均安装在所述仪器舱盖(8)上。
4.根据权利要求1所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述浮体外部固定有用于系留测量仪器和回收缆绳的系留机构(11)，所述系留机构(11)为一圆环，在该圆环与浮体的外壳(9)之间在径向上连接与多个支撑杆。
5.根据权利要求1所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述信息采集模块通过通信接口连接外部的传感器设备，接收中心处理模块的数据请求信息并将传感器设备采集的数据回传。
6.根据权利要求1所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述卫星定位模块兼容GPS定位及北斗定位，卫星定位模块接收中心处理模块的数据请求信息并回传定位信息。
7.根据权利要求1所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述射频前端模块的工作频段为433MHz频段，传输模式包括：接收中心处理模块数据，并通过433MHz通信天线向外传输；通过433MHz通信天线接收外部发送的配置指令，传到中心处理模块并完成自身配置。
8.根据权利要求1所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述中心处理模块包括通信接口、数据处理单元和射频配置单元，对数据进行处理、存储及转发，实现对其他各个模块的管理、控制以及工作参数的配置。
9.根据权利要求8所述可快速部署的海上通信节点通用装备，其特征在于，所述射频配置单元通过无线方式在线变更射频参数及工作状态，包括：支持在线配置射频前端模块传输的空中速率，支持在线配置射频前端模块的工作模式，所述工作模式包括正常收发模式、配置模式或休眠模式；所述射频配置单元根据实时海况改变工作模式与传输参数。
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