CN115811553B - 一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，包括支架，以及安装在支架上的传感器单元、数据记录通讯单元、电池舱、水声通讯机、换能器、声学释放器。传感器单元可搭载二氧化碳浓度传感器、盐度传感器、硫化氢传感器、甲烷传感器等传感器中的任一种，对海底环境参数可长期、不间断地进行监测，并通过水声通讯技术将数据传输到海面。本发明采用沉底式信标，内置于声学释放器中，避免了信标长时间漂浮在海面存在容易丢失或被船只损坏的问题。采用吸附型钩锚配重，使得吸附型钩锚配重与支架的结合更加稳定，降低了装置被冲刷移位的概率。并且，本发明通过数据压缩技术，不仅降低了传输数据量，并且对于降低装置的能耗，均具有重要意义。

Description

一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置

技术领域

本发明涉及海洋环境参数监测领域，尤其涉及一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置。

背景技术

海洋是人类文明的起源，也是人类珍贵的资源宝藏，人类对海洋的进一步认识、了解，离不开对其PH值、水温、盐度、海流、二氧化碳浓度等参数的长期持续监测。尤其在海洋中从事天然气、石油等资源的开采过程中，更需持续地获取相关海域甲烷浓度、硫化氢浓度、溶解氧浓度等环境参数，以防止泄露造成严重的海洋环境污染。

现有技术中，利用沉底式数据采集装置，可以获取持续的、准确的海洋环境参数数据。在装置运行过程中，装置容易受到海流的冲刷，造成装置位移；在装置回收时，往往依赖海面的信标指示装置的位置，然而信标容易丢失或者被船只损坏。另外，水声通讯受到时变效应、信号衰减严重等因素的影响，通信速率较低，因而对采集的数据进行压缩，减少数据通信量，以及对于减少装置的能耗方面，均具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置。为实现以上目的，提供以下技术方案：

一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，包括支架，以及安装在支架上的传感器单元、数据记录通讯单元、电池舱、水声通讯机、换能器、声学释放器、吸附型钩锚配重；

声学释放器内置信标，所述信标与所述支架通过绳索连接，当声学释放器接收到触发信号时释放所述信标，所述信标借助浮力浮出水面；

所述支架的底部包括吸附型钩锚配重，所述吸附型钩锚配重的顶部和底部均为内凹型，所述吸附型钩锚配重内凹型结构的底部与支架的底部构成负压型腔体，使所述吸附型钩锚配重吸附在支架底部；

所述数据记录通讯单元包括传感器数据记录模块、数据压缩模块；所述传感器数据记录模块用于存储传感器单元采集的数据，所述数据压缩模块用于根据数据压缩算法压缩所述传感器数据记录模块中存储的数据以减少数据传输量；

所述数据压缩算法包括：对预设时间段内，多个采集时间点采集的数值求取标准差，若标准差小于设定阈值，求取平均值作为预设时间段的传感器数据；若标准差不小于设定阈值，对预设时间段内多个采集时间点采集的数值相同的传感器数据进行合并。

作为本发明的进一步改进方案，所述数据记录通讯单元还包括数据发送模块、数据接收模块、传感器参数配置模块；

所述传感器单元与所述数据记录通讯单元的传感器数据记录模块连接，将采集得到的数据发送给所述数据记录通讯单元的传感器数据记录模块进行保存；

所述水声通讯机与所述数据记录通讯单元的数据发送单元连接，接收所述数据记录通讯单元的传感器数据记录模块发送的数据；所述数据记录通讯单元的数据接收单元与所述水声通讯机连接，接收所述水声通讯机发送的传感器参数配置信息；

所述水声通讯机与所述换能器连接，所述水声通讯机用于电信号的调制与解调，所述换能器用于声能和电能之间的转换。

作为本发明的进一步改进方案，所述数据接收模块接收到所述水声通讯机发送的传感器配置信息后，发送给所述传感器参数配置模块，所述传感器参数配置模块对配置信息进行解析以及通过所述传感器单元调整传感器参数。

作为本发明的进一步改进方案，所述电池舱包含第一电池舱和第二电池舱，所述第一电池舱连接到所述数据记录通讯单元，供应所述数据记录通讯单元所需电能，所述数据记录通讯单元为所述传感器单元供电；所述第二电池舱向所述水声通讯机供电。

作为本发明的进一步改进方案，所述电池舱的电池采用一次性锂电池，并按照需求串并联成所需的电压和容量；所述可充电的锂电池，充电方式包括无线非接触式充电或利用洋流发电。

作为本发明的进一步改进方案，所述信标为可压缩浮力材料制成。

作为本发明的进一步改进方案，所述传感器单元包括二氧化碳浓度传感器、盐度传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、甲烷浓度传感器、PH传感器、倾角传感器、温度传感器、压力传感器、潮位传感器、海流传感器、波浪传感器中的任一种。

作为本发明的进一步改进方案，所述对预设时间段内多个采集时间点采集的数值相同的传感器数据进行合并包括：

预设时间段内存在n个采集时间点，采集得到的数据表示为:

{(t1,v1),(t2,v2),(t3,v3),(t4,v2),(t5,v1),(t6,v2),(t7,v3), (t8,v2),…(ti,vk),…(tn,vk)}，

合并结果为：

{([t1,t5],v1),( [t2,t4,t6,t8],v2),([t3,t7],v3),…([ti,tn],vk)}，其中，(tn,vk)表示在采集时间点tn时采集到的数据为vk，([ti,tn],vk)表示采集时间点ti，采集时间点tn采集得到的数据为vk。

作为本发明的进一步改进方案，所述对预设时间段内多个采集时间点采集的数值相同的传感器数据进行合并包括：

预设时间段内存在n个采集时间点，采集得到的数据表示为：{(t1,v1),(t2,v1),(t3,v1),(t4,v2),(t5,v2),(t6,v2),(t7,v2), (t8,v2),…(ti,vk),…(tn,vk)}，

合并为结果为：

{(t1-t3,v1),(t4-t8,v2) ,…(ti-tn,vk)}，其中(tn,vk)表示采集时间点tn采集到的数据为vk，(ti-tn,vk)表示采集时间点ti至采集时间点tn连续的采集时间点采集得到的数据均为vk。

作为本发明的进一步改进方案，所述数据压缩算法还包括：对压缩算法处理之后的数据进一步采用LZW编码或Huffman编码进行压缩。

本发明的有益效果为：

1.采用沉底式信标，当声学释放器接收到触发信号时释放信标，信标借助浮力浮出水面，避免了信标长时间漂浮在海面容易丢失或被船只损坏，提高了安全性。

2. 采用吸附型钩锚配重，所述吸附型钩锚配重的顶部和底部设计为内凹型，底部内凹型结构与支架的底部构成负压型腔体，使所述吸附型钩锚配重吸附在支架底部，借助海水压力，使得吸附型钩锚配重与支架的结合更加稳定，并能减少海水的冲刷导致装置移位。

3.采用数据压缩模块压缩数据以减少数据传输量，减少了能量消耗，降低数据传输错误率，以及延长了装置在海底持续工作的工作时长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1是本发明的基于水声通讯的沉底式数据采集装置结构示意图；

图2是本发明的基于水声通讯的沉底式数据采集装置的各组成单元的连接示意图；

图3是本发明数据记录通讯单元各功能模块的连接示意图；

其中，1、水声通讯机 2、第一电池舱 3、传感器单元 4、声学释放器 5、换能器 6、数据记录通讯单元 7、第二电池舱 8、支架 9、吸附型钩锚配重。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

如图1所示，本发明的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，该装置包括支架8，以及安装在支架上的传感器单元3、数据记录通讯单元6、水声通讯机1、换能器5、声学释放器4、第一电池舱2、第二电池舱7、吸附型钩锚配重9。

传感器单元包括二氧化碳浓度传感器、盐度传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、甲烷浓度传感器、PH传感器、倾角传感器、温度传感器、压力传感器、潮位传感器、海流传感器、波浪传感器中的任一种，用于对海底环境参数进行监测。通过传感器单元可以监测海底二氧化碳、甲烷、硫化氢等气体浓度，并可以监测海水的盐度、温度、PH值、潮位等参数，当然，可以根据实际需要，对传感器单元进行扩展，搭载更多传感器。

电池舱包含第一电池舱和第二电池舱，第一电池舱连接到数据记录通讯单元，供其运行所需电能；第二电池舱连接到水声通讯机，供其运行所需电能。电池舱中的电池可采用一次性锂电池，按照需求串并联成所需的电压和容量。也支持可充电的锂电池，充电方式可以有无线非接触式充电、利用洋流发电来充电。电池舱中的电池优选地，电池舱、装数据记录通讯单元的仪表舱、声学释放器以及水声通讯机的外壳采用钛合金，增强防腐蚀性能。

将信标放置于声学释放器的空腔，信标与支架通过绳索连接，当声学释放器接收到触发信号时释放信标，信标借助海水的浮力浮出水面。优选地，信标采用可高度压缩的浮体材料。当信标获得释放后，体积增大，增加了浮力，更易浮出水面，提醒打捞人员装置所在位置并提供打捞装置所需要的绳索。为了增加信标的辨识度，使得更容易被打捞人员发现，浮体可印染成红色、黄色等亮色。

支架的底部包括吸附型钩锚配重，吸附型钩锚配重的顶部和底部均为内凹型，底部内凹型结构与支架的底部构成负压型腔体，使吸附型钩锚配重吸附在支架底部。优选地，吸附型钩锚配重的4个侧面为内凹型腔体，进一步提高本装置在水底的稳定性。

如图2所示，传感器单元与数据记录通讯单元互相连接，数据记录通讯单元为传感器单元供电，并可以获得传感器单元采集得到的各种传感器数据。水声通讯机与所述数据记录通讯单元互相连接，水声通讯机与换能器连接，水声通讯机用于电信号的调制与解调，换能器用于声能和电能之间的转换。

如图3所示，数据记录通讯单元包括传感器数据记录模块、数据压缩模块、数据发送模块、数据接收模块、传感器参数配置模块。

传感器数据记录模块用于存储传感器单元采集的数据，数据压缩模块用于压缩所述传感器数据记录模块的数据以减少数据传输量，压缩后的数据通过所述数据发送模块传输到所述水声通讯机。

数据接收模块接收到所述水声通讯机发送的传感器配置信息后，发送给所述传感器参数配置模块，所述传感器参数配置模块对配置信息进行解析以及通过所述传感器单元调整相应传感器参数。

数据压缩模块对预设时间段内的传感器数据进行数据压缩，可以根据传感器数据记录模块的容量大小、传感器数据的实际特征、实时性要求等多方面因素综合考虑设置预设时间段，例如可以设置为1个小时。

对预设时间段内，多个采集时间点采集的数值求取标准差，若标准差小于设定阈值，说明预设时间段内采集得到的数据比较平稳，这时可以求取平均值作为预设时间段的传感器数据；若标准差不小于设定阈值，对预设时间段内，多个采集时间点采集的数值相同的传感器数据进行合并。合并方法包括但不限于下列方法。

方法1：数据压缩包括对预设时间段内，多个采集时间点采集的数值相同的传感器数据进行合并。预设时间段内存在n个采集时间点，采集得到的数据表示为{(t1,v1),(t2,v2), (t3,v3), (t4,v2), (t5,v1), (t6,v2), (t7,v3), (t8,v2),…(tn,vk)}。

将采集得到的数据进行合并，把采集得到的数值相同的采集时间点合并，得到{([t1,t5],v1),( [t2,t4,t6,t8],v2) ,([t3,t7],v3),…([ti,tn],vk)}，其中(tn,vk)表示在采集时间点tn时采集到的数据为vk，([ti,tn],vk)表示采集时间点ti，采集时间点tn采集得到的数据为vk。

方法1适合用于虽然存在较多相同的采集值，但是采集时间点并不连续的数据采集场景。

方法2：预设时间段内存在n个采集时间点，采集得到的数据表示为{(t1,v1),(t2,v1), (t3,v1), (t4,v2), (t5,v2), (t6,v2), (t7,v2), (t8,v2),…(tn,vk)}。

合并为{(t1-t3,v1),(t4-t8,v2) ,…(ti-tn,vk)}，其中(tn,vk)表示采集时间点tn采集到的数据为vk，(ti-tn,vk)表示采集时间点ti至采集时间点tn所有的采集时间点采集得到的数据均为vk。

方法2适用于存在多个连续采集时间点均采集得到相同的数值的数据采集场景。

方法3：压缩模块先对待压缩的数据进行分析，判断条件为：采集得到相同的数值且采集时间点连续，获取符合上述判断条件的采集时间点的个数，如果超过预设时间段内时间采集点个数的50%，采用方法2进行数据压缩，否则，采用方法1进行数据压缩。

优选地，对压缩算法处理之后的数据进一步采用LZW编码或Huffman编码等无损压缩方法进行压缩，进一步减少待传输的数据量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，包括支架，以及安装在支架上的传感器单元、数据记录通讯单元、电池舱、水声通讯机、换能器、声学释放器、吸附型钩锚配重；

声学释放器内置信标，所述信标与所述支架通过绳索连接，当声学释放器接收到触发信号时释放所述信标，所述信标借助浮力浮出水面；

所述支架的底部包括吸附型钩锚配重，所述吸附型钩锚配重的顶部和底部均为内凹型，所述吸附型钩锚配重内凹型结构的底部与支架的底部构成负压型腔体，使所述吸附型钩锚配重吸附在支架底部；

所述数据记录通讯单元包括传感器数据记录模块、数据压缩模块；所述传感器数据记录模块用于存储传感器单元采集的数据，所述数据压缩模块用于根据数据压缩算法压缩所述传感器数据记录模块中存储的数据以减少数据传输量；

所述数据压缩算法包括：对预设时间段内，多个采集时间点采集的数值求取标准差，若标准差小于设定阈值，求取平均值作为预设时间段的传感器数据；若标准差不小于设定阈值，对预设时间段内多个采集时间点采集的数值相同的传感器数据进行合并；

所述对预设时间段内多个采集时间点采集的数值相同的传感器数据进行合并包括：压缩模块先对待压缩的数据进行分析，判断条件为：采集得到相同的数值且采集时间点连续，获取符合上述判断条件的采集时间点的个数，如果超过预设时间段内时间采集点个数的50％，采用方法2进行数据压缩，否则，采用方法1进行数据压缩；

所述方法1：预设时间段内存在n个采集时间点，采集得到的数据表示为:

{(t1,v1),(t2,v2),(t3,v3),(t4,v2),(t5,v1),(t6,v2),(t7,v3),

(t8,v2),…(ti,vk),…(tn,vk)}，

合并结果为：

{([t1,t5],v1),([t2,t4,t6,t8],v2),([t3,t7],v3),…([ti,tn],vk)}，其中，(tn,vk)表示在采集时间点tn时采集到的数据为vk，([ti,tn],vk)表示采集时间点ti，采集时间点tn采集得到的数据为vk；

所述方法2：预设时间段内存在n个采集时间点，采集得到的数据表示为：{(t1,v1),(t2,v1),(t3,v1),(t4,v2),(t5,v2),(t6,v2),(t7,v2),

(t8,v2),…(ti,vk),…(tn,vk)}，

合并为结果为：

{(t1-t3,v1),(t4-t8,v2),…(ti-tn,vk)}，其中(tn,vk)表示采集时间点tn采集到的数据为vk，(ti-tn,vk)表示采集时间点ti至采集时间点tn连续的采集时间点采集得到的数据均为vk。

2.根据权利要求1所述的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，

所述数据记录通讯单元还包括数据发送模块、数据接收模块、传感器参数配置模块；

所述传感器单元与所述数据记录通讯单元的传感器数据记录模块连接，将采集得到的数据发送给所述数据记录通讯单元的传感器数据记录模块进行保存；

所述水声通讯机与所述数据记录通讯单元的数据发送单元连接，接收所述数据记录通讯单元的传感器数据记录模块发送的数据；所述数据记录通讯单元的数据接收单元与所述水声通讯机连接，接收所述水声通讯机发送的传感器参数配置信息；

所述水声通讯机与所述换能器连接，所述水声通讯机用于电信号的调制与解调，所述换能器用于声能和电能之间的转换。

3.根据权利要求2所述的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，

所述数据接收模块接收到所述水声通讯机发送的传感器配置信息后，发送给所述传感器参数配置模块，所述传感器参数配置模块对配置信息进行解析以及通过所述传感器单元调整传感器参数。

4.根据权利要求3所述的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，

所述电池舱包含第一电池舱和第二电池舱，所述第一电池舱连接到所述数据记录通讯单元，供应所述数据记录通讯单元所需电能，所述数据记录通讯单元为所述传感器单元供电；所述第二电池舱向所述水声通讯机供电。

5.根据权利要求4所述的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，

所述电池舱的电池采用一次性锂电池或可充电的锂电池，并按照需求串并联成所需的电压和容量；所述可充电的锂电池，充电方式包括无线非接触式充电或利用洋流发电。

6.根据权利要求5所述的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，

所述信标为可压缩浮力材料制成。

7.根据权利要求6所述的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，

所述传感器单元包括二氧化碳浓度传感器、盐度传感器、硫化氢传感器、溶解氧传感器、甲烷浓度传感器、PH传感器、倾角传感器、温度传感器、压力传感器、潮位传感器、海流传感器、波浪传感器中的任一种。

8.根据权利要求1所述的一种基于水声通讯的沉底式数据采集装置，其特征在于，所述数据压缩算法还包括：

对压缩算法处理之后的数据进一步采用LZW编码或Huffman编码进行压缩。

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