CN111182489A - 一种气象海洋信息超短波传输系统 - Google Patents

一种气象海洋信息超短波传输系统 Download PDF

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CN111182489A CN201911316305.2A CN201911316305A CN111182489A CN 111182489 A CN111182489 A CN 111182489A CN 201911316305 A CN201911316305 A CN 201911316305A CN 111182489 A CN111182489 A CN 111182489A
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白广奇
王晓鸣
叶明雯
莫欣谓
史纬恒
徐君炜
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吴永远
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Abstract

本发明涉及信息传输技术领域，具体地说，涉及一种气象海洋信息超短波传输系统。其包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元和数据处理单元之间通过短波传输。该气象海洋信息超短波传输系统中，设置数据采集单元对海洋检测使用的传感器进行数据采集，并通过数据波形处理模块，将采集的数据转化成短波波形，并通过短波的形式将传感器采集的数据进行远距离传输，设置数据处理单元对短波接收进行接收，并通过波形分析模块识别短波数据，并接收短波内容，使得不同海洋测量仪器兼容并将其观测数据进行处理。

Description

一种气象海洋信息超短波传输系统
技术领域
本发明涉及信息传输技术领域，具体地说，涉及一种气象海洋信息超短波传输系统。
背景技术
现有大部分海洋水下环境测量仪器自身并不具备长距离、大数据量传输的能力，因此在深远海监测时，它们所观测的海洋水下环境数据只能储存在自身的数据记录器中，无法实时将所观测的数据在水下进行长距离的传输。同时，因为不同国家生产、不同类型海洋水下环境测量仪器设备的硬件接口、软件协议也各不相同，致使实际使用中没有一种可以通用的水下数据传输系统能够与不同海洋测量仪器兼容并将其观测数据进行处理与长距离传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气象海洋信息超短波传输系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种气象海洋信息超短波传输系统，包括数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元和数据处理单元之间通过短波传输，所述数据采集单元包括节点数据储存模块、节点数据转发模块、数据波形处理模块和短波发送模块；所述数据处理单元包括短波接收模块、波形分析模块和数据存储模块。
作为优选，所述数据采集单元的采集方法包括如下步骤：
S1.1、采用节点数据储存模块对各个传感器的数据进行采集并储存；
S1.2、采用节点数据转发模块对各个传感器采集的数据整合后进行发送；
S1.3、采用数据波形处理模块将各个传感器采集的数据转化为短波波形；
S1.4、采用短波发送模块将短波波形发送至数据处理单元内。
作为优选，所述数据波形处理模块的波形处理方法包括以下步骤：
S1.3.1、AD转化：采用A/D转换器将传感器采集的模拟信号转化为数字信号；
S1.3.2、DA转化：采用DA转化器将输入的数字信号转换为模拟信号输出；
S1.3.3、单片机处理：对输出的模拟信号进行数据处理；
S1.3.4、反相器处理：采用反相器保持输入与输出的波形一致。
作为优选，所述A/D转换器为ADC0804转化器，ADC0804为8位的A/D转换器，ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，具有转换速度快、分辨率高的特性，ADC0804转化器的电气特性为：工作电压：+5V，即VCC＝+5V；模拟输入电压范围：0-+5V，即0≤Vin≤+5V；分辨率：8位，即分辨率为1/28＝1/256，转换值为0-255；转换时间：100us；转换误差：±1LSB；参考电压：2.5V，即Vref＝2.5V。
作为优选，所述DA转化器为DAC0832转化器，DAC0832转化器内部带有数据输入寄存器的8位D/A转换器，采用低功耗CMOS工艺制成，芯片内有R-2R梯形电阻网络，用于对参考电压产生的电流进行分流，完成模数转换，转换结果以一组差动电流Iout1和Iout2输出，DAC0832转化器的电气特性为：分辨率：8位；转换时间：1us；满量程误差：+—1LSB；参考电压：+—10V；单电源：+5V-+15V。
作为优选，所述单片机采用型号为AT89C51的单片机芯片。
作为优选，所述数据处理单元的处理方法包括如下步骤：
S2.1、采用短波接收模块接收数据采集单元发送的短波波形；
S2.2、采用波形分析模块对接收的短波波形进行分析；
S2.3、将分析后的短波数据存储在数据存储模块。
作为优选，所述波形分析模块的波形分析方法包括如下步骤：
S2.2.1、归一化处理：对信号进行归一化处理，忽略幅值对相似衡量的影响，其公式如下：
y(n)＝x(n)/max(abs(x))n∈(1，N)……(1)；
式中，N为信号的长度，max()为求向量的最大值，abs()为求绝对值；
S2.2.2、去噪，采用阈值去噪法，对短波进行去噪处理；
S2.2.3、截取波形：采用特征提取法截取特征部分波形，再根据波形匹配法将波形转化为特定数据信息。
作为优选，所述特征提取法采用非抽取性小波分解UWT法，其步骤如下：
步骤一：使用UWT对预处理信号进行8层分解，取8层细节系数；
步骤二：求取细节系数层最大值向量，层最大值向量的定义如下；
levelmax(k)＝max([swd(1，k)swd(2，k)…swd(level，k)])k∈(1，N)……(2)；
式中，levelmax为层最大值向量，swd为细节系数，N表示信号长度；
步骤三：求取层最大值向量的形状包络，形状包络向量即特征值向量。
作为优选，所述波形匹配法采用欧式距离法，其公式如下：
Figure BDA0002325929200000031
欧式距离越小，表示两向量越相似，当两个向量完全一致的时候，欧式距离为0。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该气象海洋信息超短波传输系统中，设置数据采集单元对海洋检测使用的传感器进行数据采集，并通过数据波形处理模块，将采集的数据转化成短波波形，并通过短波的形式将传感器采集的数据进行远距离传输。
2、该气象海洋信息超短波传输系统中，设置数据处理单元对短波接收进行接收，并通过波形分析模块识别短波数据，并接收短波内容，使得不同海洋测量仪器兼容并将其观测数据进行处理。
附图说明
图1为本发明的整体结构模块图；
图2为本发明的数据采集单元模块图；
图3为本发明的数据处理单元模块图；
图4为本发明的数据采集单元方法流程框图；
图5为本发明的波形处理方法流程框图；
图6为本发明的ADC0804转化器引脚图；
图7为本发明的DAC0832转化器引脚图；
图8为本发明的AT89C51单片机芯片引脚图；
图9为本发明的数据处理单元方法流程框图。
图中各个标号意义为：
1、数据采集单元；11、节点数据储存模块；12、节点数据转发模块；13、数据波形处理模块；14、短波发送模块；
2、数据处理单元；21、短波接收模块；22、波形分析模块；23、数据存储模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图9所示，本发明提供一种技术方案：
本发明提供一种气象海洋信息超短波传输系统，包括为实现上述目的，本发明提供一种气象海洋信息超短波传输系统，包括数据采集单元1和数据处理单元2，数据采集单元1和数据处理单元2之间通过短波传输，数据采集单元1包括节点数据储存模块11、节点数据转发模块12、数据波形处理模块13和短波发送模块14；数据处理单元2包括短波接收模块21、波形分析模块22和数据存储模块23。
本实施例中，数据采集单元1的采集方法包括如下步骤：
S1.1、采用节点数据储存模块11对各个传感器的数据进行采集并储存；
S1.2、采用节点数据转发模块12对各个传感器采集的数据整合后进行发送；
S1.3、采用数据波形处理模块13将各个传感器采集的数据转化为短波波形；
S1.4、采用短波发送模块14将短波波形发送至数据处理单元2内。
进一步的，数据波形处理模块13的波形处理方法包括以下步骤：
S1.3.1、AD转化：采用A/D转换器将传感器采集的模拟信号转化为数字信号；
S1.3.2、DA转化：采用DA转化器将输入的数字信号转换为模拟信号输出；
S1.3.3、单片机处理：对输出的模拟信号进行数据处理；
S1.3.4、反相器处理：采用反相器保持输入与输出的波形一致。
具体的，A/D转换器为ADC0804转化器，ADC0804为8位的A/D转换器，其引脚如图6所示，ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，具有转换速度快、分辨率高的特性，ADC0804转化器的电气特性为：工作电压：+5V，即VCC＝+5V；模拟输入电压范围：0-+5V，即0≤Vin≤+5V；分辨率：8位，即分辨率为1/28＝1/256，转换值为0-255；转换时间：100us；转换误差：±1LSB；参考电压：2.5V，即Vref＝2.5V。
其中，ADC0804转化器的转换原理为：
1)、PIN1(CS)：ChipSelect，与RD、WR接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准(low)时会active；
2)、PIN2(RD)：Read。当CS、RD皆为低位准(low)时，ADC0804会将转换后的数字讯号经由DB7～DB0输出至其它处理单元；
3)、PIN3(WR)：启动转换的控制讯号。当CS、WR皆为低位准(low)时ADC0804做清除的动作，系统重置。当WR由0→1且CS＝0时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR设定为高位准(high)；
4)、PIN4、PIN19(CLKIN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100kHz至800kHz。而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。若在CLKR及CLKIN加上电阻及电容，则可产生ADC工作所需的时序；
5)、PIN5(INTR)：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕时INTR会变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据；
6)、PIN6、PIN7(VIN(+)、VIN(-))：差动模拟讯号的输入端。输入电压VIN＝VIN(+)－VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地；
7)、PIN8(AGND):模拟电压的接地端；
8)、PIN9(VREF/2)∶模拟参考电压输入端，VREF为模拟输入电压VIN的上限值。若PIN9空接，则VIN的上限值即为VCC；
9)、PIN10(DGND)∶数字电压的接地端；
10)、PIN11-PIN18(DB7-DB0)∶转换后之数字数据输出端；
11)、PIN20(Vcc)∶驱动电压输入端。
此外，DA转化器为DAC0832转化器，DAC0832转化器内部带有数据输入寄存器的8位D/A转换器，采用低功耗CMOS工艺制成，芯片内有R-2R梯形电阻网络，用于对参考电压产生的电流进行分流，完成模数转换，转换结果以一组差动电流Iout1和Iout2输出，DAC0832转化器的电气特性为：分辨率：8位；转换时间：1us；满量程误差：+—1LSB；参考电压：+—10V；单电源：+5V-+15V。
除此之外，DAC0832转化器的引脚图如图7所示，其引脚功能描述如下：
1)、VREF为参考电压输入端；
2)、VCC为工作电压输入端；
3)、AGND为模拟地，DGND为数字地；
4)、DI0～DI7为数据输入；
5)、IOUT1和IOUT2为互补的电流输入端；
6)、RFB为片内反馈电阻引脚；
7)、ILE为输入锁存使能信号输入端，高电平有效；
8)、/CS为片选信号输入端，低电平有效；
9)、/WR1和/WR2为两个写命令输入，均为低电平有效；
10)、/XFER为传输控制信号输入端，低电平有效。
再进一步的，DAC0832转化器的工作方式可以采用两种方法对数据进行锁存，第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。具体地说，就是使
Figure BDA0002325929200000061
和
Figure BDA0002325929200000062
都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、
Figure BDA0002325929200000063
处于低电平，这样，当
Figure BDA0002325929200000064
端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换；第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。就是使
Figure BDA0002325929200000065
和
Figure BDA0002325929200000066
为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当
Figure BDA0002325929200000067
和
Figure BDA0002325929200000068
端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。
具体的，单片机采用型号为AT89C51的单片机芯片，其引脚如图8所示，引脚说明如下：
1)、P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；
2)、P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；
3)、P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；
3)、P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0记时器0外部输入P3.5T1记时器1外部输入P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号；
4)、RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；
5)、ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；
6)、/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现；
7)、/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP；
8)、XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；
9)、XTAL2：来自反向振荡器的输出。
值得说明的是，数据处理单元2的处理方法包括如下步骤：
S2.1、采用短波接收模块21接收数据采集单元1发送的短波波形；
S2.2、采用波形分析模块22对接收的短波波形进行分析；
S2.3、将分析后的短波数据存储在数据存储模块23。
具体的，波形分析模块22的波形分析方法包括如下步骤：
S2.2.1、归一化处理：对信号进行归一化处理，忽略幅值对相似衡量的影响，其公式如下：
y(n)＝x(n)/max(abs(x))n∈(1，N)……(1)；
式中，N为信号的长度，max()为求向量的最大值，abs()为求绝对值；
S2.2.2、去噪，采用阈值去噪法，对短波进行去噪处理；
S2.2.3、截取波形：采用特征提取法截取特征部分波形，再根据波形匹配法将波形转化为特定数据信息。
此外，特征提取法采用非抽取性小波分解UWT法，快速变化的波表示的是频率高，奇异点多的波，此类波所携带的信息主要集中在高频段。基于小波变换的多分辨率特性，可以通过小波变换的细节系数观察到信号各个频段的特征。小波变换可以将原信号分解到不同频段下进行分析，一个细节层系数代表的就是信号在某个频段下的特征。若是原信号在某点的频率主要集中在某个频段，那么包含此频段的细节层系数关于此点的小波系数相较于其它层更大，而且若是原信号在某点的奇异度较大，关于此点的小波系数就会比较大，所以小波系数的大小不光取决于信号在此点的幅值，也取决于信号在此点的奇异度。那么，若是提取每层细节层系数关于同一点的最大值组成一个新的向量，那么这个新向量不仅可以很好的表征出原信号的形状，也可以在一定程度上放大信号的形状。由于UWT具有更好的奇异点检测能力，此处选择UWT分解，其步骤如下：
步骤一：使用UWT对预处理信号进行8层分解，取8层细节系数；
步骤二：求取细节系数层最大值向量，层最大值向量的定义如下；
levelmax(k)＝max([swd(1，k)swd(2，k)…swd(level，k)])k∈(1，N)……(2)；
式中，levelmax为层最大值向量，swd为细节系数，N表示信号长度；
步骤三：求取层最大值向量的形状包络，形状包络向量即特征值向量。
优选的，波形匹配法采用欧式距离法，其公式如下：
Figure BDA0002325929200000091
欧式距离越小，表示两向量越相似，当两个向量完全一致的时候，欧式距离为0。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种气象海洋信息超短波传输系统，包括数据采集单元(1)和数据处理单元(2)，所述数据采集单元(1)和数据处理单元(2)之间通过短波传输，其特征在于：所述数据采集单元(1)包括节点数据储存模块(11)、节点数据转发模块(12)、数据波形处理模块(13)和短波发送模块(14)；所述数据处理单元(2)包括短波接收模块(21)、波形分析模块(22)和数据存储模块(23)。
2.根据权利要求1所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述数据采集单元(1)的采集方法包括如下步骤：
S1.1、采用节点数据储存模块(11)对各个传感器的数据进行采集并储存；
S1.2、采用节点数据转发模块(12)对各个传感器采集的数据整合后进行发送；
S1.3、采用数据波形处理模块(13)将各个传感器采集的数据转化为短波波形；
S1.4、采用短波发送模块(14)将短波波形发送至数据处理单元(2)内。
3.根据权利要求2所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述数据波形处理模块(13)的波形处理方法包括以下步骤：
S1.3.1、AD转化：采用A/D转换器将传感器采集的模拟信号转化为数字信号；
S1.3.2、DA转化：采用DA转化器将输入的数字信号转换为模拟信号输出；
S1.3.3、单片机处理：对输出的模拟信号进行数据处理；
S1.3.4、反相器处理：采用反相器保持输入与输出的波形一致。
4.根据权利要求3所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述A/D转换器为ADC0804转化器。
5.根据权利要求3所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述DA转化器为DAC0832转化器。
6.根据权利要求3述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述单片机采用型号为AT89C51的单片机芯片。
7.根据权利要求1所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述数据处理单元(2)的处理方法包括如下步骤：
S2.1、采用短波接收模块(21)接收数据采集单元(1)发送的短波波形；
S2.2、采用波形分析模块(22)对接收的短波波形进行分析；
S2.3、将分析后的短波数据存储在数据存储模块(23)。
8.根据权利要求7所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述波形分析模块(22)的波形分析方法包括如下步骤：
S2.2.1、归一化处理：对信号进行归一化处理，忽略幅值对相似衡量的影响，其公式如下：
y(n)＝x(n)/max(abs(x))n∈(1，N)……(1)；
式中，N为信号的长度，max()为求向量的最大值，abs()为求绝对值；
S2.2.2、去噪，采用阈值去噪法，对短波进行去噪处理；
S2.2.3、截取波形：采用特征提取法截取特征部分波形，再根据波形匹配法将波形转化为特定数据信息。
9.根据权利要求8所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述特征提取法采用非抽取性小波分解UWT法，其步骤如下：
步骤一：使用UWT对预处理信号进行8层分解，取8层细节系数；
步骤二：求取细节系数层最大值向量，层最大值向量的定义如下；
levelmax(k)＝max([swd(1，k)swd(2，k)...swd(level，k)])k∈(1，N)……(2)；
式中，levelmax为层最大值向量，swd为细节系数，N表示信号长度；
步骤三：求取层最大值向量的形状包络，形状包络向量即特征值向量。
10.根据权利要求8所述的气象海洋信息超短波传输系统，其特征在于：所述波形匹配法采用欧式距离法，其公式如下：
Figure FDA0002325929190000021
CN201911316305.2A 2019-12-19 2019-12-19 一种气象海洋信息超短波传输系统 Pending CN111182489A (zh)

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