CN115173960B - 一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，属于水下无线传感器网络通信技术领域，主节点在换能器每次开启时发送一个超声波脉冲，用通用定时器控制换能器打开两次的时间间隔，将信息进行类MFSK调制；主节点采用不同于其它信息位的载波频率广播节点信息获取信号；子节点捕获超声波脉冲并解调；子节点按照节点编号数值依次返回基本信息；主节点采用不同载波频率分别传递节点缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位，然后子节点将信息传递给上位机；本发明在水下通信过程中充分发挥水声换能器的性能，传输信号强度大，抗干扰能力强，传输距离远，完成较大数据包的传递和多节点通信，且编码方式更灵活。

Description

一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，属于水下无线传感器网络通信技术领域。

背景技术

随着科学技术的快速发展，人类对大自然的探索和利用范围越来越广阔，尤其是海洋。海洋面积辽阔，占地球表面积近3/4，蕴藏着丰富的自然资源，据如地球上石油的极限存储为1万亿吨，实际上可以开采的存储量为3000亿吨，而海底占可开采量的1/2左右，天然气的存储量也是类似，但人类对海洋资源的利用却很少，所以海洋逐渐成为人类探索研究的热点。

进行海洋探索时，水下通信技术发挥着重要的作用。然而，与陆地通信技术(陆地上主要基于电磁波作为信息载体进行通信，电磁波通信存在于人们日常生活的各个方面)不同的是，海水具有导电性，在众多专家研究后认为水下通信选择声波作为信息载体传递信息最为合适。然而由于水下环境复杂，水声信道通常是时变、频变信道，存在严重的多径效应，并且由于声波在水体中传播衰减大，随着信号频率的增大其衰减也增大，在长距离的水下通信中，通常只有几千赫兹的带宽能够使用，加上风浪、洋流、船舶、鱼群等的干扰，水下的环境噪声较严重。因此要实现在水下信息的可靠传输，需要克服非常多的困难。

水声通信在传感器节点、信号传输特性和组网方式等方面都与陆上通信具有很大的不同。而且由于声波在水中传播速度仅为1500m/s左右，这就导致水声通信无法达到电磁波通信的速率水平，并且声波传输过程中的多径效应会造成严重的码间串扰，也就导致了通信质量的下降。同时海水中存在的自然噪声和人为噪声也会对声波信号形成干扰，影响通信质量。声波在水中传输的衰减受其频率的影响，且衰减幅度与频率的平方成正相关性，这就限制了载波频率只能在较低范围内，从而使通信时可利用带宽十分有限，进一步造成了水声通信速率的降低。于是提高水声通信的信号强度、信号传输距离和抗干能力扰是国内外研究人员一直努力的方向。所以设计出一种信号传输强度高，抗干扰能力强，传输距离远的水声通信方式具有重要意义。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，在通信过程中充分发挥水声换能器的性能，增强信号传输强度和抗干扰能力，提升信号传输距离，提高信号编码的灵活性，完成较大数据包的传递和多节点通信。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，包括如下步骤：

步骤1，主节点将信息进行类MFSK调制

主节点接收上位机传来的信息，然后在水声换能器每次开启时发送一个超声波脉冲，用通用定时器控制水声换能器打开两次的时间间隔，模拟不同频率的载波，不同频率的载波代表不同数字信息，实现信息的类MFSK调制；

步骤2，主节点广播节点信息获取信号

主节点采用不同于其它信息位的载波频率广播节点信息获取信号，获取周围节点的基本信息，包括节点编号、节点横纵深三维坐标、节点接收信息的时间；其中，其他信息位包括缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位。

步骤3，子节点解调信号

子节点通过通用定时器捕获通道捕获超声波脉冲，每两个脉冲代表一个数字信息，根据两次脉冲的时间间隔解调出数字信息；

步骤4，子节点依次返回节点基本信息

子节点按照节点编号数值依次返回节点的基本信息，节点编号数值越小设定的等待时间越短越先返回节点基本信息；

步骤5，主节点选择子节点传输信息，子节点将信息传递给接收端上位机

主节点选择要传递的子节点，采用不同载波频率分别传递节点缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位，在发送的每一条信息中都包括以上标志位，当子节点编号与主节点所发送信息的编号信息一致时，子节点会将接收到的信息存储，并传递给接收端上位机，完成一次水下通信；当子节点编号与主节点所发送信息的编号信息不一致时，子节点放弃此次信息的接收。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤1中主节点通过RS232串口接收上位机传来的信息，然后用通用定时器产生PWM信号驱动水声换能器，通用定时器每次打开时只产生一个PWM脉冲，通过通用定时器根据所传输的信息调整延时控制水声换能器打开两次的时间间隔，模拟多个频率的载波，不同频率的载波代表多种数字信息，实现信息的类MFSK调制，使MFSK调制不受到M的影响，在解调时只需要开启接收端通用定时器捕获通道，捕获两次脉冲的时间间隔，从而解调出数字信号，降低信号传输的误码率，提高信号传输效果，降低开发成本。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2中主节点采用不同于其它信息位的载波频率广播节点信息获取信号，以避免与普通信息传递产生冲突，使子节点产生误判，将节点信息获取信号当作普通信号采集。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤3中子节点捕获到的超声波脉冲是主节点水声换能器每次打开时发出的第一个超声波脉冲，其超声波能量最大，信号强度最强，将水声换能器的性能发挥到最优，使信号传输更远，抗干扰能力更强，其两次脉冲代表一个数字信息，子节点开启捕获通道，通过捕获两次脉冲得到间隔时间，从中解调出数字信息，然后根据信息内容执行相应的程序。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤4，首先清空子节点的接收缓存区，避免之前缓存信息的干扰，然后根据载波频率判断信号类型是否是节点信息获取信号，如果是，子节点则按照节点编号数值等待相应的时间后返回节点基本信息，返回信息将转化为二进制数，通过通用定时器产生PWM信号驱动水声换能器，进行类MFSK调制后，传递给主节点，实现水下多节点通信间的调度；如果不是节点信息获取信号，那么一定是需要传递的普通信号，则进行步骤5中的信号处理操作。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤4中的等待时间＝(节点基本信息传输时间+换能器通信最远距离的声波传输时间)*节点编号。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤5的具体操作为：主节点选择要传递的子节点，采用不同载波频率分别传递缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位，子节点解调信息后首先清空接收缓存区，避免之前缓存信息的干扰，判断编号信息是否与节点编号一致，如果一致，则在接收到字符停止位后将之前信息转化为十进制ASCII码并存储，接收到信息停止位后结束一次接收；如果编号信息与节点编号不一致，则放弃此次信息的接收，然后子节点将接收到的信息通过RS232串口传递给接收端上位机，完成一次水下通信，实现水下较大数据包的发送和多节点间的通信。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明充分发挥了水声换能器的性能，增强了信号强度，提高了信号的抗干扰能力，提升了信号传输距离，可完成较大数据包的传递和多节点通信，且编码方式更加灵活，具有很好的通信效果。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明发送信息数据包结构；

图3是本发明子节点基本信息数据包结构；

图4是本发明发送端程序流程图；

图5是本发明接收端程序流程图。

具体实施方式

本发明是基于STM32单片机和水声换能器构成的水下节点的水声通信方法，每个水下节点由一个stm32单片机连接两个水声换能器构成，通过stm32单片机的RS232串口连接上位机，两个水声换能器分别负责信息的发送和接收，可适用不同频率的水声换能器，不局限于水声换能器型号，实施例1以工作频率为35khz的水声换能器为例，对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

一种基于STM32单片机和水声换能器构成的水下节点的水声通信方式，包括如图1所示的步骤：

步骤1，如图4所示，主节点通过RS232串口接收上位机传来的信息，然后用通用定时器产生35Khz的PWM信号驱动水声换能器，通用定时器每次打开时只产生一个PWM脉冲，通过通用定时器根据所传输的信息调整延时控制水声换能器打开两次的时间间隔，模拟不同频率的载波，不同频率的载波代表多种数字信息，实现信息的类MFSK调制，使MFSK调制不受到M的影响，在解调时只需要开启接收端通用定时器捕获通道，捕获两次脉冲的时间间隔，从而解调出数字信号，降低信号传输的误码率，提高信号传输效果，降低开发成本；

使用通用定时器控制水声换能器打开两次的时间间隔模拟的MFSK调制与传统MFSK调制相比，传统MFSK调制的误码率随M增大而增加，在平均比特能量固定的情况下的误码率随M增大而减小，但这是以牺牲带宽为代价的，且MFSK在解调时，解调部分需要M个带通滤波器和包络检波器，极大增加了电路复杂度。而使用通用定时器控制水声换能器打开两次的时间间隔模拟MFSK调制不会受到M的影响，且在解调时只需要开启接收端通用定时器捕获通道，捕获两次脉冲的时间间隔，实现数字信号的解调。

步骤2，主节点采用不同于其它信息位的载波频率广播节点信息获取信号，避免与普通信息传递产生冲突，使子节点产生误判，将节点信息获取信号当作普通信号采集。节点信息获取信号通过通用定时器产生35Khz的PWM信号驱动水声换能器，进行类MFSK调制后发送，获取周围节点的基本信息，包括节点编号、节点横纵坐标、节点接收信息的时间等，如图2所示；

步骤3，如图5所示，子节点捕获到的超声波脉冲是主节点水声换能器每次打开时发出的第一个超声波脉冲，其超声波能量最大，信号强度最强，将水声换能器的性能发挥到最优，使信号传输更远，抗干扰能力更强，其两次脉冲代表一个数字信息，子节点开启捕获通道，通过捕获两次脉冲得到间隔时间，从中解调出数字信息，然后根据信息内容执行相应的程序；

水声换能器是利用晶体压电陶瓷的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的，在接受到高频电压驱动信号时，压电陶瓷产生振动，激励周围水质点产生振动，由于水具有惯性和弹性，在水质点的相互作用下，振动物体周围的水就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成超声波。反之，超声波信号传到水声换能器时，水声换能器会输出电压信号。而水声换能器在被升压驱动时，在开启的一瞬间也就是第一次脉冲驱动，其发出超声波能量最大，信号强度最强，此时接收端接收到的冲击也最强，后续的脉冲的驱动效果就会大大折扣。所以本发明中采取的通信方式能够将水声换能器的性能发挥到最优，使信号强度更高，传输更远，抗干扰能力更强。

步骤4，如图5所示，子节点首先清空接收缓存区，避免之前缓存信息的干扰，然后根据载波频率判断信号类型是否是节点信息获取信号，如果是，子节点则按照节点编号数值等待相应的时间后返回节点基本信息，数值越小设定的等待时间越短越先返回节点基本信息。其中，等待时间＝(节点基本信息传输时间+换能器通信最远距离的声波传输时间)*节点编号。返回信息将转化为二进制数，通过通用定时器产生35Khz的PWM信号驱动水声换能器，进行类MFSK调制后，传递给主节点，实现水下多节点通信间的调度。如果不是节点信息获取信号，那么一定是需要传递的普通信号，则进行步骤5中的信号处理操作。

步骤5，主节点选择要传递的子节点，采用不同载波频率分别传递缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位如图3所示，信息编码比2FSK调制更加灵活，发送的信息更加简洁，在发送的每一条信息中都包括以上标志位。如图5所示，子节点解调信息后首先清空接收缓存区，避免之前缓存信息的干扰，判断编号信息是否与节点编号一致，如果一致，则在接收到字符停止位后将之前信息转化为十进制ASCII码并存储，接收到信息停止位后结束一次接收。如果编号信息与节点编号不一致，则放弃此次信息的接收，然后子节点将接收到的信息通过RS232串口传递给接收端上位机，完成一次水下通信，实现水下较大数据包的发送和多节点间的通信。

Claims (7)

1.一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，主节点将信息进行类MFSK调制

主节点接收上位机传来的信息，然后在水声换能器每次开启时发送一个超声波脉冲，用通用定时器控制水声换能器打开两次的时间间隔，模拟不同频率的载波，不同频率的载波代表不同的数字信息，实现信息的类MFSK调制；

步骤2，主节点广播节点信息获取信号

主节点采用不同于其它信息位的载波频率广播节点信息获取信号，获取周围节点的基本信息，包括节点编号、节点横纵深三维坐标、节点接收信息的时间；其中，其他信息位包括缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位。

步骤3，子节点解调信号

子节点通过通用定时器捕获通道捕获超声波脉冲，每两个脉冲代表一个数字信息，根据两次脉冲的时间间隔解调出数字信息；

步骤4，子节点依次返回节点基本信息

子节点按照节点编号数值依次返回节点的基本信息，节点编号数值越小设定的等待时间越短越先返回节点基本信息；

步骤5，主节点选择子节点传输信息，子节点将信息传递给接收端上位机

主节点选择要传递的子节点，采用不同载波频率分别传递节点缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位，在发送的每一条信息中都包括以上标志位，当子节点编号与主节点所发送信息的编号信息一致时，子节点会将接收到的信息存储，并传递给接收端上位机，完成一次水下通信；当子节点编号与主节点所发送信息的编号信息不一致时，子节点放弃此次信息的接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，其特征在于：所述步骤1中主节点通过RS232串口接收上位机传来的信息，然后用通用定时器产生PWM信号驱动水声换能器，通用定时器每次打开时只产生一个PWM脉冲，通过通用定时器根据所传输的信息调整延时控制水声换能器打开两次的时间间隔，模拟不同频率的载波，不同频率的载波代表多种数字信息，实现信息的类MFSK调制，使MFSK调制不受到M的影响，在解调时只需要开启接收端通用定时器捕获通道，捕获两次脉冲的时间间隔，从而解调出数字信号，降低信号传输的误码率，提高信号传输效果，降低开发成本。

3.根据权利要求1所述的一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，其特征在于：所述步骤2中主节点采用不同于其它信息位的载波频率广播节点信息获取信号，以避免与普通信息传递产生冲突，使子节点产生误判，将节点信息获取信号当作普通信号采集。

4.根据权利要求1所述的一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，其特征在于：所述步骤3中子节点捕获到的超声波脉冲是主节点水声换能器每次打开时发出的第一个超声波脉冲，其超声波能量最大，信号强度最强，将水声换能器的性能发挥到最优，使信号传输更远，抗干扰能力更强，其两次脉冲代表一个数字信息，子节点开启捕获通道，通过捕获两次脉冲得到间隔时间，从中解调出数字信息，然后根据信息内容执行相应的程序。

5.根据权利要求1所述的一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，其特征在于：所述步骤4，首先清空子节点的接收缓存区，避免之前缓存信息的干扰，然后根据载波频率判断信号类型是否是节点信息获取信号，如果是，子节点则按照节点编号数值等待相应的时间后返回节点基本信息，返回信息将转化为二进制数，通过通用定时器产生PWM信号驱动水声换能器，进行类MFSK调制后，传递给主节点，实现水下多节点通信间的调度；如果不是节点信息获取信号，那么一定是需要传递的普通信号，则进行步骤5中的信号处理操作。

6.根据权利要求5所述的一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，其特征在于：所述步骤4中的等待时间＝(节点基本信息传输时间+换能器通信最远距离的声波传输时间)*节点编号。

7.根据权利要求1所述的一种基于单片机和水声换能器的水声通信方法，其特征在于：所述步骤5的具体操作为：主节点选择要传递的子节点，采用不同载波频率分别传递缓存区清空位、编号信息、字符信息、字符停止位和信息停止位，子节点解调信息后首先清空接收缓存区，避免之前缓存信息的干扰，判断编号信息是否与节点编号一致，如果一致，则在接收到字符停止位后将之前信息转化为十进制ASCII码并存储，接收到信息停止位后结束一次接收；如果编号信息与节点编号不一致，则放弃此次信息的接收，然后子节点将接收到的信息通过RS232串口传递给接收端上位机，完成一次水下通信，实现水下较大数据包的发送和多节点间的通信。