CN113595651B - 一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统，包括水面通讯平台、水下节点，水下节点包括传感器组、光通信组件、以及自供电模组，水下节点收集数据信息并通信传输给水面通讯平台,组网系统还包括位于水下的航行器，航行器上也设有光通信组件以及传感器组，航行器与水下节点之间进行数据传输，极大的拓展了通信组网系统的范围,相比传统本申请的光通信组网方式更加灵活摆脱线缆束缚，并且误码率更低，速率更高，从而提供更直观，准确和丰富的水下信息，带宽更大也利于大数据传输的发展，还可以定期的对光通信探头和检测探头进行清理，从而可以防止藻类或者微生物包覆住光通信探头和检测探头，提高检测有效性以及保证通信正常。

Description

一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统

技术领域

本发明涉及水下信号传输技术领域，具体为一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统。

背景技术

海洋是重要的自然资源，其状态的变化会显著的影响周边环境，海洋环境的研究对于近海勘探、海洋灾害的预紧以及海洋军事具有重要意义。传感器检测是一种重要的海洋环境检测工具。显然为了能够实时或者定时获取相关数据，在线数据采集或者定时传输数据的采集方式是必不可少的。由于海洋情况的特殊性，不仅需要对海洋表面进行数据检测，也需要对深层水层进行数据检测。传统的数据传输方式有电磁波、声通信以及有线通信方式，由于水体对电磁波的吸收较大，在水下其传输具体极其短不适合在水体环境的通信，而声通信在水下应用有可能受海水中介质分层产生折射以及海面、海底的反射作用出现多径效应，从而造成数据传输发生混乱；并且声通信的带宽有限，并且通过增加频率来扩充带宽会增加声波的损失。而通过有线的方式进行通信即是通过点对点的方式进行传输，存在布线的较大工程量；是点对点通信数据范围受影响；线缆在海洋中存在会影响周边环境。

光通信具有低等待时间、高带宽、低能耗以及一对多等诸多优势，十分用于水下传感器的通信组网活动，在水下检测通信的过程中，由于需要长期裸露在水体中，由于海水环境特殊容易附着海草或其他生物，长期使用对通信和检测会造成一定的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统，包括水面通讯平台、水下节点，所述水下节点中包含用于数据采集的传感器组、用于数据通信的光通信组件以及自供电模组，水下节点收集数据信息并通信传输给水面通讯平台。

优选的，所述水下节点的数量为多个，其中至少有一个作为宿节点，且多个水下节点之间通过光通信传递数据并最终汇总到宿节点，宿节点与水面通讯平台之间进行通讯连接,多个水下节点中位于中心位置的水下节点作为源节点，所述源节点与宿节点之间光通信连接或源节点与宿节点为同一个水下节点。

优选的，所述水面通讯平台为多个，之间通过基于射频的无线通信，其中至少一个作为主通讯平台并负载有远程通信模组。

优选的，所述组网系统还包括位于水下的航行器，所述航行器上也设置有用于数据通信的光通信组件，所述航行器与水下节点之间通过光通信组件进行数据传输。

优选的，所述航行器的数量为多个，多个航行器之间通过光通信组件进行数据传输，至少一个航行器作为主航行器用于收集其他所有航行器的数据信息并传递给与水面通讯平台连接的水下节点。

优选的，所述水下节点以下沉式、悬浮式、锚固定式存在与水下环境中。

所述水下节点外部为承载体，所述承载体包括外壳，所述外壳通过其上开有的空槽滑动连接有安装杆，所述安装杆的内部开有内腔，且内腔内部的上下两端分别安装有光通信探头和楔块，所述光通信探头和楔块之间相互连接，且楔块和内腔的侧壁之间连接有第一弹簧，所述内腔的腔顶设有用于清理光通信探头的橡胶块；

所述安装杆通过其上开有的滑槽滑动连接有检测探头，且外壳的上端还设有用于清理检测探头的毛刷，所述空槽的内部安装有用于控制检测探头和安装杆升降的电机。

优选的，所述电机安装在空槽的槽底，且电机的外侧设有密封框，所述电机的电机轴贯穿密封框并固定连接有拉绳，所述拉绳的上端贯穿安装杆与检测探头固定连接，且检测探头的上端固定连接有圆板，所述安装杆和空槽的槽壁之间连接有第二弹簧，所述检测探头和和滑槽的槽壁之间连接有第三弹簧，所述空槽的槽壁上开有多个贯穿槽。

优选的，所述外壳的内部且位于空槽的下方开有调节槽，所述调节槽的槽壁上转动连接有调节螺杆，调节槽的内部滑动连接有密封板，所述密封板与调节螺杆啮合连接，且密封板上设有阀门。

优选的，所述阀门包括固定架，所述固定架固定连接在密封板上，且固定架上啮合连接有密封螺杆，所述密封螺杆通过密封板上开有的贯穿孔延伸至调节槽的内部并固定连接有橡胶球。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请利用光通信的方式将位于水下的传感器节点进行通信组网，从而实现数据的交互传递，并且可利用漂浮在水面的通讯平台将数据进行向外输出，本申请的组网方式还包含了能够在水下移动的多个航行器从而极大的拓展了通信组网系统的范围，并且此种组网方式不限于水下传感器的应用，也可以广泛用于水下的通信、科考等领域，如依靠高带宽大速率传输的超高清视频监控、大数据云计算等领域；并且通过电机和拉绳之间的配合，实现使毛刷对检测探头的表面进行清理以及橡胶块对光通信探头进行清理，本发明可以定期的对光通信探头和检测探头进行清理，从而可以防止藻类或者微生物包覆住光通信探头和检测探头，提高检测有效性以及保证通信正常。

附图说明

图1为本发明的组网示意图；

图2为本发明的光通信组件的通信流程示意图；

图3为本发明承载体与漂浮板的连接示意图；

图4为本发明承载体与配重板的连接示意图；

图5为本发明承载体外部结构示意图；

图6为本发明安装杆与空槽的爆炸图；

图7为本发明图6的A处放大图；

图8为本发明图6的B处放大图；

图9为本发明的承载体的剖面图。

图中：1、漂浮板，2、配重板，3、承载体，301、外壳，302、空槽，303、安装杆，304、圆板，305、内腔，306、光通信探头，307、楔块，308、第一弹簧，309、滑槽，310、检测探头，311、电机，312、密封框，313、拉绳，314、第二弹簧，315、第三弹簧，316、贯穿槽，317、毛刷，318、橡胶块，4、调节槽，5、调节螺杆，6、密封板，7、阀门，701、固定架，702、密封螺杆，703、橡胶球，8、密封槽，9、橡胶圈，10、稳定块，11、钩子，12、能量转换设备。

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1-9：

实施例1、一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统，包括水面通讯平台、水下节点，所述水下节点中包含用于数据采集的传感器组、用于数据通信的光通信组件以及自供电模组，水下节点收集数据信息并通信传输给水面通讯平台,所述水下节点上的传感器组中可以包含多种传感器如水温，盐度，溶解氧浓度，氨氮浓度，光强度，PH值等，从而实时监测水下各项指标。

多个水下节点可以是以悬浮式位于水域下，从而分布在相同或不同深度的水域中以进行环境监测(悬浮式的位置相对较难固定，故一般应用情况较为局限少一些)。要注意的是水下节点自身含有蓄电池，并且为了提高续航能力，可通过自供电的形式补充能量，如通过利用水体波浪能、潮汐能的方式获取能量。根据水域范围需求，至少选取一个水下节点作为宿节点，并且此宿节点与水面通讯平台之间通过电缆进行通讯连接，各个水下节点通过传感器组采集所处位置的数据信息，并经由光通信组件在多个水下节点中间依次传送，最后经宿节点传输给水面通讯平台。水面通讯平台上设有基于射频形式的无线通讯模组，如果距离在允许的通信范围内，则水面通讯平台以无线射频的方式传送给到岸上基站，如果距离较远则可通过卫星中继的形式发送数据从而传输数据给远端的服务器组。

实施例2，水下节点、水面通讯平台成对使用，并且之间通过电缆连接进行通信，水面通讯平台包括漂浮板1从而能够浮在海面上，漂浮板1通过绑绳与水下节点连接绑定，同时水下节点、水面通讯平台上均可设置自供电模组，能够从波浪潮汐等自然能源中补充电量从而延长续航性，另外为了在为了扩大数据检测流域的范围，此组网系统还包括多个在水下航行的航行器，此实施例中航行器充当具有位置流动的水下节点可对某些无需实施监测的区域进行数据采集，并且当航行器移动靠近到某个水下节点，进入到光通信的范围内后可将之前采集的数据通过光通信组件进行无线传输交换(传输速率可达Gbit/s)，从而避免传统声通信的种种缺点，而且无需受到有线电缆连接的束缚。多个水面通讯平台之间可通过基于射频的无线通讯模组进行相互的信息传递，并汇总到一个水面通讯平台上(即主水面通讯平台)，可通过此水面通讯平台将汇总数据传输给岸上基站或者通过卫星中继方式来传输数据。

具体而言，为了是通讯更加高效，多个航行器中可设置若干主航行器，之间也均是通过光通信组件进行通讯传输，数据由主航行器传送给与水面通讯平台电连接的水下节点。

实施例3、此通信组网系统包括多个通过锚固定的水下节点、一个与水面通讯平台连接的下沉式水下节点(即宿节点)、多个航行器、岸上基站以及中继卫星。通过锚点绳索的长短控制水下节点的深度，以进行水下环境监测，具体而言可设置配重板2在水底布置，所述配重板2的下侧面固定连接有钩子11，且钩子11向外倾斜用于扎到水底稳定固定，水下节点通过绑绳与配重板2进行连接从而实现锚固钉的形式存在。

如果通过锚固定的水下节点之间的距离在水下光通信的允许范围内，则相邻的水下节点通过光通信组件进行彼此通信，从而让所有传感器收集的数据信息有规律的传输给宿节点，而航行器此时可作为水下的移动式的水下节点，可从指定的水下环境收集数据，所有的航行器也均通过光通信组件进行数据交互传输给主航行器，然后传输给即宿节点进而发送给水面通讯平台；

如果水下节点之间的距离超出了水下光通信的允许范围内，则相邻的水下节点无法通过光通信组件进行彼此通信，则此时航行器不仅作为水下移动式的水下节点，也作为一个传输数据的中继站，航行中从多个水下节点中获取数据，并最终均传输给主航行器，然后传输给即宿节点进而发送给水面通讯平台。

具体而言，可在多个水下节点中位于中心位置的水下节点作为源节点，其他水下节点将数据传输给源节点，源节点再传输给宿节点，当然根据实际情况源节点和宿节点可为同一个水下节点。

数据在水面通讯平台汇总并通过中继卫星传输给岸上基站。

实施例4，本实施例为将实施例1、2、3的组网形式进行集成，如图1形式形成交织的大水域网络，并且此网络不仅可用于水下传感器的无线通信组网，也可以应用于其他科考活动，如其他水下车船、潜水员携带相关光通信组件也进行光通信数据的获取。本申请的方案，组网方式灵活多变，并且不受有线方式的限制，同时相比传统声通信带宽更高、能耗低，并且光源可采用可见光配合水下视频采集，有利于低误码率的高清影像视频传输，同时视频采集本身即需要光源，从而无需额外增加光源，有利于降低综合成本和能耗，另外也可以更换为指向性更强的激光传输从而提高传输范围。

对应以上实施例来说，在每水下节点和航行器上还安装了水下声学定位系统，用于水下定位，并且所述光通信组件电连接自供电模组的蓄电池，并还包含放大器、滤波器、驱动器、光源、透镜、光电探测器，并且放大器、滤波器、透镜、数模转换器、模数转换器的数量为多个。具体发出过程为：传感器组获取的数据传输给放大器III依次经滤波器II、模数转换器II传输给控制器单元进行数据计算，控制器单元将处理好的数据通过数模转换器、放大器I和驱动器加载到光源上，光信号通过经过透镜处理(透镜的数量可以2个或者多个，通过之间的距离组合可调整光斑的大小以及指向性，从而提高传输距离和效果)发出；接收过程为：当光电探测器接收到光信号后通过放大器II、滤波器I、模数转换器I传输给控制器单元进行计算整合,重复上述过程可完成光通信过程。

对于以上实施例的情况来说，为了实现水下节点对水体数据检测以及数据传输过程中尽量减少海水中水草、生物附着生长故设置以下结构，具体而言所述水下节点外部为承载体3，所述承载体3包括外壳301，所述外壳301通过其上开有的空槽302滑动连接有安装杆303，安装杆303可以在空槽302的内部上下滑动，所述安装杆303的内部开有内腔305，且内腔305内部的上下两端分别安装有光通信组件的探头部分即光通信探头306和楔块307，光通信探头306和楔块307贯穿内腔305的侧壁并延伸至内腔305的外部，所述光通信探头306和楔块307之间相互连接，且楔块307和内腔305的侧壁之间连接有第一弹簧308，第一弹簧308可以将楔块307和光通信探头306同时向内腔305的外部弹去，从而可以使光通信探头306可以顺利的进行信号的传输(光通信探头306伸出后能够将光源以及光电探测器部分露出从而进行通信)，所述内腔305的腔顶设有用于清理光通信探头306的橡胶块318，内腔305的腔顶开有缺口，缺口的内部固定连接有橡胶块318，当光通信探头306在内腔305的内部来回滑动的时候橡胶块318会对光通信探头306的端部(即光源以及光电探测器)进行擦拭清理；

所述安装杆303通过其上开有的滑槽309滑动连接有传感器组的检测探头310，检测探头310可以在滑槽309的内部上下滑动，且外壳301的上端还设有用于清理检测探头310的毛刷317，当检测探头310在滑槽309的内部上下滑动的时候毛刷317可以对检测探头310的表面进行清理，毛刷317的整体形状为圆环形，毛刷317的刷毛位于圆环的内侧壁上，可以达到很好的清理效果，毛刷317安装在安装杆303的上端，所述空槽302的内部安装有用于控制检测探头310和安装杆303升降的电机311，电机311可以使检测探头310和安装杆303按照如图5所示的竖直方向下降，当检测探头310完全运动到滑槽309内部的时候会带动安装杆303下降，从而使外壳301挤压楔块307使楔块307带动光通信探头306向内腔305的内部运动，从而完成对光通信探头306和检测探头310的清理；

具体而言，所述电机311安装在空槽302的槽底，且电机311的外侧设有密封框312，密封框312固定连接在空槽302的槽底，所述电机311的电机轴贯穿密封框312并固定连接有拉绳313，电机311的电机轴上固定套接有凸板，密封框312的侧壁上开有对应的凹槽，可以使密封板312更好的对电机311进行保护，所述拉绳313的上端贯穿安装杆303与检测探头310固定连接，且检测探头310的上端固定连接有圆板304，电机311的电机轴顺时针转动可以将拉绳313缠绕在电机轴上，此时检测探头310会向滑槽309的内部滑动，当圆板304与安装杆303的上端接触时会带动安装杆303向下运动，从而完成对检测探头310和光通信探头306的清理工作，所述安装杆303和空槽302的槽壁之间连接有第二弹簧314，密封框312和空槽302的槽壁之间固定连接有底板，第二弹簧314的一端与安装杆303固定连接，另一端与底板固定连接，底板的设置可以使第二弹簧314顺利安装不会与电机311的电机轴相互接触，并使拉绳313可以穿过第二弹簧314顺利的与电机311的电机轴相互连接，所述检测探头310和和滑槽309的槽壁之间连接有第三弹簧315，当安装杆303也运动到空槽302的内部之后电机311的电机轴就会逆时针转动，此时在第二弹簧314和第三弹簧315的作用下安装杆303和检测探头310就会分别从空槽302和滑槽309的内部运动出来，当安装杆303从滑槽309的内部运动出来之后第一弹簧308就会将楔块307和光通信探头306顶到内腔305的外部，使光通信探头306和检测探头301继续进行工作，所述空槽302的槽壁上开有多个贯穿槽316，。

为了可以改变承载体3在水内的状态(即让水下节点的承载体3在水内处于漂浮状态、下沉状态或上浮由配重板2进行固定)使本发明更好的进行工作设置了调节槽4，具体而言，所述外壳301的内部且位于空槽302的下方开有调节槽4，所述调节槽4的槽壁上转动连接有调节螺杆5，调节槽4的内部滑动连接有密封板6，所述密封板6与调节螺杆5啮合连接，可以通过转动调节螺杆5来控制密封板6处于调节槽4内部的位置从来来控制承载体3的状态(当密封板6处于调节槽4槽口处时，因为调节槽4的内部含有大量的空气，所以承载体3在水内会处于漂浮状态，当密封板6与调节槽4的槽底相互接触的时候，因为调节槽4的内部没有空气，水会流进调节槽4的内部，所以承载体3在水内会处于下沉状态，从而对应不同的应用情景)，且密封板6上设有阀门7，关闭阀门7可以在密封板6处于调节槽4槽口处时防止水进入调节槽4的内部，打开阀门7可以在调整密封板6的时候使空气顺利的进出调节槽4；

当承载体3与漂浮板1连接的时候使承载体3在水内处于下沉状态，当承载体3与配重板2相互连接的时候使承载体3处于漂浮状态。

具体而言，所述阀门7包括固定架701，所述固定架701固定连接在密封板6上，且固定架701上啮合连接有密封螺杆702，所述密封螺杆702通过密封板6上开有的贯穿孔延伸至调节槽4的内部并固定连接有橡胶球703，贯穿孔的内径大于密封螺杆702的直径，小于橡胶球703的最大直径；

通过转动密封螺杆702来控制橡胶球703是否堵住贯穿孔，从而控制阀门7的状态(橡胶球703堵住贯穿孔的时候阀门7处于关闭状态，反之阀门7处于打开状态)。

具体而言，所述调节槽4和密封板6的形状均为椭圆形，可以使密封板6更加稳定的在调节槽4的内部滑动，且调节槽4槽壁上开有密封槽8，所述密封板6上固定连接有橡胶圈9，橡胶圈9与密封槽8相适配，密封槽8位于调节槽4槽口处的槽壁上，可以使密封板6的密封效果更好。

具体而言，所述漂浮板1的下侧面固定连接有稳定块10，稳定块10可以使漂浮板1在水上更加稳定的漂浮，在承载体3的表面可设置能量转换设备12，电机311、光通信探头306、检测探头310和控制模块均通过电缆与固定连接在外壳301上的能量转换设备12电连接，能量转换设备12可以将潮汐能转换为电能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统，其特征在于：包括水面通讯平台、水下节点、位于水下的航行器，所述水下节点包含用于数据采集的传感器组、用于数据通信的光通信组件以及自供电模组，水下节点收集数据信息并通信传输给水面通讯平台，所述航行器与水下节点之间通过光通信组件进行数据传输，至少一个水面通讯平台以无线射频或卫星中继的形式与外部通信，所述航行器的数量为多个，多个航行器之间通过光通信组件进行数据传输，至少一个航行器作为主航行器用于收集其他所有航行器的数据信息并传递给与水面通讯平台连接的水下节点，所述水下节点以下沉式、悬浮式或锚固定式存在于水下环境中，且锚固定式通过锚点绳索的长短控制水下节点的深度，每水下节点和航行器上还安装了水下声学定位系统用于水下定位；

所述水下节点外部为承载体（3），所述承载体（3）包括外壳（301），所述外壳（301）通过其上开有的空槽（302）滑动连接有安装杆（303），安装杆（303）可以在空槽（302）的内部上下滑动，所述安装杆（303）的内部开有内腔（305），且内腔（305）内部的上下两端分别安装有光通信探头（306）和楔块（307），光通信探头（306）和楔块（307）贯穿内腔（305）的侧壁并延伸至内腔（305）的外部，所述光通信探头（306）和楔块（307）之间相互连接，且楔块（307）和内腔（305）的侧壁之间连接有将楔块（307）和光通信探头（306）同时向内腔（305）外部弹去的第一弹簧（308），所述内腔（305）的腔顶设有用于清理光通信探头（306）的橡胶块（318），内腔（305）的腔顶开有缺口，缺口的内部固定连接橡胶块（318），当光通信探头（306）在内腔（305）的内部来回滑动的时候橡胶块（318）对光通信探头（306）的端部进行擦拭清理；

所述安装杆（303）通过其上开有的滑槽（309）滑动连接有传感器组的检测探头（310），检测探头（310）可以在滑槽（309）的内部上下滑动，且外壳（301）的上端还设有用于清理检测探头（310）的毛刷（317），当检测探头（310）在滑槽（309）的内部上下滑动的时候毛刷（317）对检测探头（310）的表面进行清理，所述空槽（302）的内部安装有用于控制检测探头（310）和安装杆（303）升降的电机（311），电机（311）可以使检测探头（310）和安装杆（303）下降，当检测探头（310）完全运动到滑槽（309）内部时带动安装杆（303）下降使外壳（301）挤压楔块（307）使楔块（307）带动光通信探头（306）向内腔（305）的内部运动，对光通信探头（306）和检测探头（310）进行清理。

2.根据权利要求1所述的一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统，其特征在于：所述水下节点的数量为多个，其中至少有一个作为宿节点，且多个水下节点之间通过光通信传递数据并最终汇总到宿节点，宿节点与水面通讯平台之间进行通讯连接,多个水下节点中位于中心位置的水下节点作为源节点，所述源节点与宿节点之间光通信连接或源节点与宿节点为同一个水下节点。

3.根据权利要求2所述的一种基于光通信的水下无线传感器通信组网系统，其特征在于：所述水面通讯平台为多个，之间通过基于射频的无线通信，其中至少一个作为主通讯平台并负载有远程通信模组。

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