CN117791762A - 一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统 - Google Patents
一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117791762A CN117791762A CN202310551232.5A CN202310551232A CN117791762A CN 117791762 A CN117791762 A CN 117791762A CN 202310551232 A CN202310551232 A CN 202310551232A CN 117791762 A CN117791762 A CN 117791762A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- environment monitoring
- underwater
- self
- parameter acquisition
- underwater environment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 74
- 238000009360 aquaculture Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 244000144974 aquaculture Species 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000006854 communication Effects 0.000 claims abstract description 89
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 87
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 87
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 70
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 43
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 19
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 26
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 26
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 19
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 13
- 230000007958 sleep Effects 0.000 claims description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005059 dormancy Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Communication System (AREA)
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
本发明公开一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统，属于水产养殖水下环境监测领域。采用极化码编码对环境参数采集指令进行编码，编码完成后生成PWM波并插入调光符号，完成适合水产养殖的光照强度调整，在合适的光配方下同时完成光通信编码。在水底采用太阳能光伏器件作为光信号接收器，同时接收通信信号和收集光能量，提取到的光能量，通过电池管理系统对超级电容器进行充电，利用超级电容器对水下传感网络进行供电，同时解析光信号中的通信指令完成水下环境数据采集。本发明解决了水产养殖水下环境监测过程中水下传感网络充电受限的问题，在合适的光配方照明条件下，实现了水产养殖中水下环境传感网络数据采集和完成自供电。
Description
技术领域
本发明涉及水产养殖水下环境监测领域，特别是涉及一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统。
背景技术
水产养殖正在从粗放型向专业化集约型转变，利用LED水产养殖灯可控制鱼类的最佳生长环境，增效降本的同时为养殖业驶入可持续发展快车道提供了解决方案。在专业化集约型转变过程中需要对水产养殖中的水下环境进行监测，LED水产养殖灯通常在可见光波段(380nm～760nm)，利用LED水产养殖灯可实现数据通信完成水下环境监测。可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术作为新兴的一种无线通信方案，利用光作为信息载体，提供了大量不受管制的电磁频谱，具有低碳、频率复用、信噪比高、无电磁干扰等优势，是水下环境传感网络通信中非常具有前景的技术方案。可见光通信技术通常采用LED光源作为发射机，在合适光照的同时可对LED光源采用不同的编码方案进行调制，以实现通信功能。可见光波段(380nm～760nm)可被太阳能光伏器件接收光信号进行光能量收集。并且可见光通信所在的频段高，可提供非常高的数据传输速率，并且方向性好，非常适用于水下环境监测技术领域。
虽然利用LED水产养殖灯来作为光通信光源，可在提供水产养殖合适照明的情况下完成水下传感网络进行水下环境监测，在“光配方”、照明、光通信技术方面有很多优势，但是无法为水产养殖水下环境监测传感设备进行能量供给，功能相对单一，对水下传感网络进行充电，现有的方案是昂贵且不切实际的，应用场景受到了很大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统，可获得在合适的光配方照明条件下，实现水产养殖中水下环境传感网络数据采集和完成自供电。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法，包括：
采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字；
确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，以调整光照强度，获得光通信编码PWM波；
根据光通信编码PWM波控制水下的LED光源发出光信号，并采用水底的太阳能光伏器件同时接收光信号中的环境参数采集指令和收集光能量；
提取太阳能光伏器件所收集的光能量，同时通过电池管理系统对超级电容器进行充电；
利用超级电容器对水下环境监测传感网络进行供电，同时水下环境监测传感网络解析光信号中的环境参数采集指令，并根据解析的环境参数采集指令采集水下环境数据。
可选地，所述采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字，具体包括：
将2m条长度为2lbit环境参数采集指令构成一帧数据；其中，m和l均为正整数；
在一帧数据中插入休眠比特；
按照阈值计算公式计算极化信道各子信道的巴氏参数值；式中，Pe表示通信过程中所期望的目标误码率，N0表示编码后的码长，K0表示传输的指令信息比特位长度，A0表示传输指令信息比特的信道，μA表示信道传输中的休眠比特位传输的数值，/>表示信道wN分裂后的第i个子信道对应的巴氏参数值，Z表示巴氏参数，A表示所有子信道的集合；
对插入休眠比特的一帧数据中的各子信道按照巴氏参数值由小到大进行排序，并定义休眠比特，获得码长为2m+l+1bit的插入休眠比特后的码字；
构造极化码生成矩阵；
将插入休眠比特后的码字与极化码生成矩阵进行异或运算，获得极化码编码码字。
可选地，所述确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，以调整光照强度，获得光通信编码PWM波，具体包括：
根据光强信息确定PWM波占空比；
对极化码编码码字进行周期设置；
利用公式确定调光符号的数量；式中，x表示符号数量，W表示极化码编码码字的码重，N2表示极化码编码码字的长度，d表示PWM波占空比；
在极化码编码码字中插入所有数量的调光符号，并依据公式T＝(x+N2)×T0重新确定插入调光符号后极化码编码码字的周期；式中，T表示LED光源的亮度变化最大周期，T0表示插入调光符号后极化码编码码字的周期；
采用交织编码对插入调光符号后极化码编码码字进行重新编码，使得极化码编码码字全部在比特数据位中的奇数位，调光符号全部在比特数据位中的偶数位，获得光通信编码PWM波。
可选地，所述利用超级电容器对水下环境监测传感网络进行供电，同时水下环境监测传感网络解析光信号中的环境参数采集指令，并根据解析的环境参数采集指令采集水下环境数据，具体包括：
利用超级电容器对水下环境监测传感网络中的微控制单元和传感器进行供电，同时微控制单元解析光信号中的环境参数采集指令；
根据解析的环境参数采集指令，通过水下环境传感网络中的传感器采集水下环境数据。
一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，包括：极化码编码模块、PWM波生成器、LED光源、太阳能光伏器件、电池管理系统、超级电容器、自适应放大器和水下环境监测传感网络；
极化码编码模块与PWM波生成器连接，PWM波生成器与LED光源连接；所述极化码编码模块用于接收水下环境参数采集指令，并采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字；所述PWM波生成器用于确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，获得光通信编码PWM波，进而根据光通信编码PWM波控制LED光源发出光信号；
太阳能光伏器件分别与电池管理系统和自适应放大器连接；所述太阳能光伏器件用于同时接收光信号中的环境参数采集指令和收集光能量，将收集的光能量传输至电池管理系统，同时将环境参数采集指令传输至自适应放大器；
电池管理系统与超级电容器连接，超级电容器与水下环境监测传感网络连接；所述电池管理系统用于通过超级电容器为水下环境监测传感网络供电；
自适应放大器与水下环境监测传感网络连接；所述自适应放大器用于对环境参数采集指令自适应放大后，传输至水下环境监测传感网络并采集水下环境数据。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统，采用极化码编码对环境参数采集指令进行编码，编码完成后生成PWM波并插入调光符号，完成适合水产养殖的光照强度调整，在合适的光配方下同时完成光通信编码。然后，在水底采用太阳能光伏器件作为光信号接收器，同时接收通信信号和进行光能量收集，提取到的光能量，通过电池管理系统对超级电容器进行充电，利用超级电容器对水下传感网络进行供电，同时解析光信号中的通信指令完成水下环境数据采集。本发明解决了水产养殖水下环境监测过程中水下传感网络充电受限的问题，在合适的光配方照明条件下，实现了水产养殖中水下环境传感网络数据采集和完成自供电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的环境参数采集指令格式示意图；
图3为本发明实施例提供的极化码编码过程示意图；
图4为本发明实施例提供的光通信编码过程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的接收机电路示意图；
图7为本发明实施例提供的自适应放大器的结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明采用极化码编码对水下环境传感网络发送的环境参数采集指令进行编码，编码完成后生成PWM波并插入调光符号，完成适合水产养殖的光照强度调整，在合适的光配方下同时完成光通信编码。然后，在水底采用太阳能光伏器件作为光信号接收器，同时接收通信信号和进行光能量收集，提取到的光能量，通过电池管理系统对超级电容器进行充电，利用超级电容器对水下传感网络的微控制单元进行供电，同时对接收机的光信号中的通信指令解析完成水下环境数据采集，解决了水产养殖水下环境监测过程中对水下传感网络进行充电受限的问题，即可获得在合适的光配方照明条件下，实现水产养殖中水下环境传感网络数据采集和完成自供电。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法，包括：
步骤1：采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字。
首先采用LED光源作为水产养殖灯放入距离水面深度为h的水中，LED光源发送端采用OOK调制，LED灯亮表示二进制数据“1”，LED灯灭表示二进制数据“0”，变化最小周期设置为Tμs(半周期1/2Tμs)，最大周期设置为2Tμs(半周期Tμs)，T>256μs，实现照明功能的同时抑制闪烁。
单条的水下环境参数采集指令长度2lbit，一次发送2m条指令，极化码过程为：
1.1单条长度为2l bit长度环境参数采集指令格式均包括操作码(OP code)和地址码(Address code)两部分组成，指令格式和和各字段信息如图1所示，指令含义定为：(地址1)OP(地址2)→结果，一次发送2m条指令，2m条指令共2m+lbit长度构成一帧数据；
1.2计算原始通信2m条指令共2m+lbit长度一帧数据的极化信道可靠估计，按照阈值计算公式(1)计算，公式(1)为：
其中Pe代表通信过程中所期望的目标误码率，此处设置为0.005，N0＝2n代表编码后的码长，K0代表传输的指令信息比特位长度，A0代表传输指令信息比特的信道，μA代表信道传输中的休眠比特位传输的数值，在2m条指令共2m+lbit长度一帧原始通信数据下，N0＝2m +l+1bit，K0＝2m+lbit，A0＝2m+lbit，μA为2m+lbit且全部为“0”；
1.3根据计算得到的巴氏参数的值，对各子信道由小到大进行排序，排序完成后定义休眠比特，并得到码长N1＝2m+l+1bit的插入休眠比特后的码字；
1.4构造极化码生成矩阵GN，GN定义为：
其中表示对矩阵/>的n次克罗内克积，得到生成矩阵GN＝N1；
1.5将码长N1＝2m+l+1bit的插入休眠比特后的码字与GN＝N1进行异或运算，得到N2＝2m+l+1bit长度的后数据，编码后2m+l+1bit长度的比数据的码重Z＝1/2，此时完成2m条指令，共2m+lbit长度的原始通信数据的极化码编码。
步骤2：确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，以调整光照强度，获得光通信编码PWM波。
本步骤可以实现照明功能的同时完成光通信编码。
步骤2的具体实现步骤如下：
2.1根据步骤1将最大周期T设置为t0μs(半周期1/2t0μs)，由光强信息确认PWM波占空比d，占空比d＝t/T，t定义为周期T内高电平的时间长度；
2.2对2m+l+1bit极化码编码后码字进行周期设置，周期定义为T0，每个比特码字占用时间为0.5T0；
2.3插入调光符号，符号数量为x，x由以下公式确认：
当W≥d时，调光符号为比特“1”，W＜d时，调光符号为比特“0”，插入调光符号后T0与T之间的关系由公式T＝(x+N2)×T0确认；
2.4对插入调光符号后2m+l+2bit比特采用交织编码进行重新编码，2m+l+1bit位极化码编码后的码字全部在2m+l+2bit比特数据位中的奇数位，2m+l+2bit比特全“1”的调光符号全部在偶数位，完成光通信编码。
步骤3：根据光通信编码PWM波控制水下的LED光源发出光信号，并采用水底的太阳能光伏器件同时接收光信号中的环境参数采集指令和收集光能量。
在水底采用太阳能光伏器件作为光电转换器，同时接收通信信号和进行光能量收集，具体描述如下：
3.1太阳能电池板的正极连接接收电路的输入端，太阳能电池板的负极连接接收电路的地线，太阳能光伏器件光信号转换成电信号后电信号可直接进入接收机电路；
3.2接收机电路接收到的电信号中包含有直流分量(P(ω))和交流分量(i(ω))两部分，总能量T(ω)＝P(ω)+i(ω)，其中直流分量(P(ω))用于能量收集，交流分量(i(ω))完成数据通信；
3.3接收机电路分为能量收集支路和光通信支路，利用电容器C通交流信号阻隔直流信号的特点构建通信分支，直流分量(P(ω))则不能进入通信支路，利用电感的储能特点，能量收集支路采用电感器L完成能量的收集，然后进入到BMS(Battery ManagementSystem，电池管理系统)，通信支路的交流分量(i(ω))可通过电阻器R产生对地电压V(ω)生成通信信号进入自适应放大器。
步骤4：提取太阳能光伏器件所收集的光能量，同时通过电池管理系统对超级电容器进行充电。
步骤5：利用超级电容器对水下环境监测传感网络进行供电，同时水下环境监测传感网络解析光信号中的环境参数采集指令，并根据解析的环境参数采集指令采集水下环境数据。
水下环境监测传感网络包括：微控制器(Microcontroller Unit，MCU)和水下环境监测传感器。
步骤5的具体实现过程描述如下：
5.1进入到BMS的能量首先对MCU进行供能，唤醒MCU；
5.2进入自适应放大器的通信信号V(ω)完成自适应放大，首先经过a倍前置放大后得到aV(ω)，然后完成峰值检波，峰值检波使用的是二极管峰值检波器，检波后的信号通过双限比较器与b伏特和c伏特比较，比较器结果输入到模拟电子开关的使能端，通过电子开关切换到不同的放大倍数(d倍～e倍)进行二次放大，完成通信信号V(ω)的自适应放大，得到V0(ω)；
5.3自适应放大后的通信信号V0(ω)，进入MCU，MCU完成通信指令解析执行水下传感网络相关指令。
下面以一个具体例子来详细阐明本发明的自供电方法，该例子具体包括以下步骤：
S1、采用LED光源作为水产养殖灯放入距离水面深度为3m的水中，LED光源发送端采用OOK调制，LED灯亮表示二进制数据“1”，LED灯灭表示二进制数据“0”，变化最小周期设置为512us(半周期256us)，最大周期设置为1024us(半周期512us)，实现照明功能的同时抑制闪烁。
S2、采用极化码编码，对水下环境传感网络发送的环境参数采集指令进行编码，单条指令长度64bit，一次发送16条指令。
具体描述如下：
S21、单条长度为64bit长度环境参数采集指令格式均包括操作码(OP code)和地址码(Address code)两部分组成，指令格式和和各字段信息如图2所示，指令含义定为：(地址1)OP(地址2)→结果，一次发送16条指令，16条指令共1024bit长度构成一帧数据；
S22、计算原始通信16条指令共1024bit长度一帧数据的极化信道可靠估计，按照阈值计算公式(1)计算，公式(1)为：
其中Pe代表通信过程中所期望的目标误码率，此处设置为0.005，N0＝2n代表编码后的码长，K0代表传输的指令信息比特位长度，A0代表传输指令信息比特的信道，μA代表信道传输中的休眠比特位传输的数值，在16条指令共1024bit长度一帧原始通信数据下，N0＝2048，K0＝1024，A0＝1024，μA为1024bit且全部为“0”。
S23、根据计算得到的巴氏参数的值，对各子信道由小到大进行排序，排序完成后1/2的子信道定义为休眠比特，并得到码长N1＝2048bit的插入休眠比特后的码字；其中，
S24、构造极化码生成矩阵GN，GN定义为：
其中表示对矩阵/>的n次克罗内克积，得到生成矩阵GN＝2048；BN代表排序矩阵，奇数偶数分离并排序，U1，U3，U5，…UN-1，U2，U4，U6，…UN。F代表基础矩阵。
S25、将码长N1＝2048bit的插入休眠比特后的码字与GN＝2048进行异或运算，得到N2＝2048bit极化码编码后数据，编码后的2048比特数据的码重Z＝1/2，此时完成16条指令共1024bit长度的原始通信数据的极化码编码，极化码编码过程如图3所示。
S3、生成PWM波，插入调光符号，完成光照强度调整，实现照明功能的同时完成光通信编码；该步骤在图5中PWM波生成器中实现。
具体描述如下：
S31、根据S1将最大周期T设置为1024us(半周期512us)，由光强信息确认PWM波占空比d，占空比d＝t/T，t定义为周期T内高电平的时间长度，本实例中设置为256us，d＝256us/1024us＝1/4；
S32、对S2中2048bit极化码编码后码字进行周期设置，周期定义为T0，每个比特码字占用时间为0.5T0，设置T0＝1us；
S33、插入调光符号，符号数量为x，x由公式(4)确认：
当W≥d时，调光符号为比特“1”，W＜d时，调光符号为比特“0”，插入调光符号后T0与T之间的关系由公式T＝(x+N2)×T0确认，本实例中W＝1/2，d＝1/4，x＝2048且全部调光符号为比特“1”；
S34、对插入调光符号后4096比特采用交织编码进行重新编码，2048位极化码编码后的码字全部在4096比特数据位中的奇数位，2048比特全“1”的调光符号全部在偶数位，完成光通信编码，光通信编码过程如图4所示。
S4、在水底采用太阳能光伏器件作为光信号接收器，同时接收通信信号和进行光能量收集。
具体描述如下：
S41、太阳能电池板的正极连接接收电路的输入端，太阳能电池板的负极连接接收电路的地线，太阳能光伏器件光信号转换成电信号后电信号可直接进入接收机电路；
S42、接收机电路接收到的电信号中包含有直流分量(P(ω))和交流分量(i(ω))两部分，总能量T(ω)＝P(ω)+i(ω)，其中直流分量(P(ω))用于能量收集，交流分量(i(ω))完成数据通信；
S43、接收机电路分为能量收集支路和光通信支路，利用电容器C通交流信号阻隔直流信号的特点构建通信分支，直流分量(P(ω))则不能进入通信支路，利用电感的储能特点，能量收集支路采用电感器L完成能量的收集，然后进入到BMS，通信支路的交流分量(i(ω))可通过电阻器R产生对地电压V(ω)生成通信信号进入自适应放大器，电容器C，电感器L和电阻器R与太阳能电池板接收到的光强有关，对应关系如表1所示；
表1光强与电容器C、电感器L和电阻器R的关系
S5、从接收机中提取所收集的光能量，通过BMS系统对超级电容器进行充电。
S6、利用超级电容器对水下传感网络的MCU进行供电，同时对接收机的光信号中的通信指令解析。
具体描述如下：
S61、进入到BMS的能量首先对MCU进行供能，唤醒MCU；
S62、进入自适应放大器的通信信号V(ω)完成自适应放大，放大倍数调节方式如图5所示，首先经过10倍前置放大后得到10V(ω)，然后完成峰值检波，峰值检波使用的是二极管峰值检波器，检波后的信号通过双限比较器与2.4和3.3V比较，比较器结果输入到模拟电子开关的使能端，通过电子开关切换到不同的放大倍数(10倍～100倍)进行二次放大，完成通信信号V(ω)的自适应放大，得到V0(ω)；
S63、自适应放大后的通信信号V0(ω)，进入MCU，MCU完成通信指令解析执行水下传感网络相关指令。
S7、通过解析的数据采集指令，由水下传感网络完成水下环境数据采集。
本实施例是对水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法进行了研究与攻关，通过采用极化码编码对水下环境传感网络发送的环境参数采集指令进行编码，编码完成后生成PWM波并插入调光符号，完成适合水产养殖的光照强度调整，在合适的光配方下同时完成光通信编码。然后，在水底采用太阳能光伏器件作为光信号接收器，同时接收通信信号和进行光能量收集，提取到的光能量，通过电池管理系统对超级电容器进行充电，利用超级电容器对水下传感网络的微控制单元进行供电，同时对接收机的光信号中的通信指令解析完成水下环境数据采集，即可获得在合适的光配方照明条件下，实现水产养殖中水下环境传感网络数据采集和完成自供电。预计未来在水产养殖中，照明、光配方、水下环境监测、自供电等技术与应用领域，具有广阔的市场与积极的社会效益。
实施例二
对应于实施例一的一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法，本实施例提供了一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，如图5所示，包括：极化码编码模块、PWM波生成器、LED光源、太阳能光伏器件、电池管理系统、超级电容器、自适应放大器和水下环境监测传感网络。
极化码编码模块与PWM波生成器连接，PWM波生成器与LED光源连接；所述极化码编码模块用于接收水下环境参数采集指令，并采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字；所述PWM波生成器用于确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，获得光通信编码PWM波，进而根据光通信编码PWM波控制LED光源发出光信号。
太阳能光伏器件分别与电池管理系统和自适应放大器连接；所述太阳能光伏器件用于同时接收光信号中的环境参数采集指令和收集光能量，将收集的光能量传输至电池管理系统，同时将环境参数采集指令传输至自适应放大器。
电池管理系统与超级电容器连接，超级电容器与水下环境监测传感网络连接；所述电池管理系统用于通过超级电容器为水下环境监测传感网络供电。
自适应放大器与水下环境监测传感网络连接；所述自适应放大器用于对环境参数采集指令自适应放大后，传输至水下环境监测传感网络并采集水下环境数据。
参照图6，太阳能光伏器件包括：太阳能电池板和接收机电路。太阳能电池板的正极与接收机电路的输入端连接，太阳能电池板的负极与接收机电路的地线连接；接收机电路的能量收集支路输出端与电池管理系统连接，接收机电路的光通信支路输出端与自适应放大器连接。所述太阳能电池板用于接收光信号，将光信号转换成电信号后传入接收机电路。接收机电路接收到的电信号中包含有直流分量和交流分量两部分，其中直流分量用于能量收集，交流分量用于数据通信。接收机电路的能量收集支路用于接收直流分量，并收集能量，将收集的能量传输至电池管理系统。接收机电路的光通信支路用于根据交流分量生成环境参数采集指令电信号，并传输至自适应放大器。
具体的，接收机电路包括：电感器、电容器和电阻器。电感器构成能量收集支路，电容器和电阻器构成光通信支路。电感器的一端与电容器的一端连接，电感器的一端与电容器的一端之间连接线上的一点作为接收机电路的输入端；电感器的另一端作为能量收集支路输出端。电容器的另一端与电阻的一端连接，电容器的另一端与电阻的一端之间连接线上的一点作为光通信支路输出端；电阻的另一端通过地线接地。
如图7所示，自适应放大器包括：前置放大模块、二极管峰值检波器、双限比较器和电子开关。前置放大模块的输入端与接收机电路的光通信支路输出端连接，前置放大模块的输出端与二极管峰值检波器的输入端连接；所述前置放大模块用于对环境参数采集指令电信号进行十倍放大。二极管峰值检波器的输出端与双限比较器的输入端连接；所述二极管峰值检波器用于对十倍放大后的环境参数采集指令电信号进行峰值检波，获得检波后的信号。双限比较器的输出端与电子开关的使能端连接；所述双限比较器用于将检波后的信号与2.4V和3.3V比较，获得比较结果。电子开关用于根据比较结果切换不同的放大倍数，对环境参数采集指令电信号进行自适应放大。
参照图5，水下环境监测传感网络包括：微控制单元和水下环境监测传感器。微控制单元的充电端和水下环境监测传感器的充电端均与超级电容器连接。微控制单元的信号输入端与自适应放大器连接，微控制单元的信号输出端与水下环境监测传感器的控制端连接；所述微控制单元用于解析自适应放大后的环境参数采集指令，并根据解析后的环境参数采集指令控制水下环境监测传感传感器采集水下环境数据。
示例性的，水下环境监测传感器包括：温度传感器、湿度传感器、PH传感器和溶解氧传感器。
本实施例中的结构的具体功能描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可，再次不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法，其特征在于，包括：
采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字；
确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，以调整光照强度，获得光通信编码PWM波；
根据光通信编码PWM波控制水下的LED光源发出光信号，并采用水底的太阳能光伏器件同时接收光信号中的环境参数采集指令和收集光能量；
提取太阳能光伏器件所收集的光能量，同时通过电池管理系统对超级电容器进行充电；
利用超级电容器对水下环境监测传感网络进行供电，同时水下环境监测传感网络解析光信号中的环境参数采集指令，并根据解析的环境参数采集指令采集水下环境数据。
2.根据权利要求1所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法，其特征在于，所述采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字，具体包括：
将2m条长度为2lbit环境参数采集指令构成一帧数据；其中，m和l均为正整数；
在一帧数据中插入休眠比特；
按照阈值计算公式计算极化信道各子信道的巴氏参数值；式中，Pe表示通信过程中所期望的目标误码率，N0表示编码后的码长，K0表示传输的指令信息比特位长度，A0表示传输指令信息比特的信道，μA表示信道传输中的休眠比特位传输的数值，/>表示信道wN分裂后的第i个子信道对应的巴氏参数值，Z表示巴氏参数，A表示所有子信道的集合；
对插入休眠比特的一帧数据中的各子信道按照巴氏参数值由小到大进行排序，并定义休眠比特，获得码长为2m+l+1bit的插入休眠比特后的码字；
构造极化码生成矩阵；
将插入休眠比特后的码字与极化码生成矩阵进行异或运算，获得极化码编码码字。
3.根据权利要求1所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法，其特征在于，所述确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，以调整光照强度，获得光通信编码PWM波，具体包括：
根据光强信息确定PWM波占空比；
对极化码编码码字进行周期设置；
利用公式确定调光符号的数量；式中，x表示符号数量，W表示极化码编码码字的码重，N2表示极化码编码码字的长度，d表示PWM波占空比；
在极化码编码码字中插入所有数量的调光符号，并依据公式T＝(x+N2)×T0重新确定插入调光符号后极化码编码码字的周期；式中，T表示LED光源的亮度变化最大周期，T0表示插入调光符号后极化码编码码字的周期；
采用交织编码对插入调光符号后极化码编码码字进行重新编码，使得极化码编码码字全部在比特数据位中的奇数位，调光符号全部在比特数据位中的偶数位，获得光通信编码PWM波。
4.根据权利要求1所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法，其特征在于，所述利用超级电容器对水下环境监测传感网络进行供电，同时水下环境监测传感网络解析光信号中的环境参数采集指令，并根据解析的环境参数采集指令采集水下环境数据，具体包括：
利用超级电容器对水下环境监测传感网络中的微控制单元和传感器进行供电，同时微控制单元解析光信号中的环境参数采集指令；
根据解析的环境参数采集指令，通过水下环境传感网络中的传感器采集水下环境数据。
5.一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，其特征在于，包括：极化码编码模块、PWM波生成器、LED光源、太阳能光伏器件、电池管理系统、超级电容器、自适应放大器和水下环境监测传感网络；
极化码编码模块与PWM波生成器连接，PWM波生成器与LED光源连接；所述极化码编码模块用于接收水下环境参数采集指令，并采用极化码对水下环境参数采集指令进行编码，获得极化码编码码字；所述PWM波生成器用于确定PWM波占空比，并采用交织编码在极化码编码码字中插入调光符号，获得光通信编码PWM波，进而根据光通信编码PWM波控制LED光源发出光信号；
太阳能光伏器件分别与电池管理系统和自适应放大器连接；所述太阳能光伏器件用于同时接收光信号中的环境参数采集指令和收集光能量，将收集的光能量传输至电池管理系统，同时将环境参数采集指令传输至自适应放大器；
电池管理系统与超级电容器连接，超级电容器与水下环境监测传感网络连接；所述电池管理系统用于通过超级电容器为水下环境监测传感网络供电；
自适应放大器与水下环境监测传感网络连接；所述自适应放大器用于对环境参数采集指令自适应放大后，传输至水下环境监测传感网络并采集水下环境数据。
6.根据权利要求5所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，其特征在于，所述太阳能光伏器件包括：太阳能电池板和接收机电路；
太阳能电池板的正极与接收机电路的输入端连接，太阳能电池板的负极与接收机电路的地线连接；接收机电路的能量收集支路输出端与电池管理系统连接，接收机电路的光通信支路输出端与自适应放大器连接；
所述太阳能电池板用于接收光信号，将光信号转换成电信号后传入接收机电路；
接收机电路接收到的电信号中包含有直流分量和交流分量两部分，其中直流分量用于能量收集，交流分量用于数据通信；
接收机电路的能量收集支路用于接收直流分量，并收集能量，将收集的能量传输至电池管理系统；
接收机电路的光通信支路用于根据交流分量生成环境参数采集指令电信号，并传输至自适应放大器。
7.根据权利要求6所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，其特征在于，所述接收机电路包括：电感器、电容器和电阻器；
电感器构成能量收集支路，电容器和电阻器构成光通信支路；
电感器的一端与电容器的一端连接，电感器的一端与电容器的一端之间连接线上的一点作为接收机电路的输入端；电感器的另一端作为能量收集支路输出端；
电容器的另一端与电阻的一端连接，电容器的另一端与电阻的一端之间连接线上的一点作为光通信支路输出端；电阻的另一端通过地线接地。
8.根据权利要求6所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，其特征在于，所述自适应放大器包括：前置放大模块、二极管峰值检波器、双限比较器和电子开关；
前置放大模块的输入端与接收机电路的光通信支路输出端连接，前置放大模块的输出端与二极管峰值检波器的输入端连接；所述前置放大模块用于对环境参数采集指令电信号进行十倍放大；
二极管峰值检波器的输出端与双限比较器的输入端连接；所述二极管峰值检波器用于对十倍放大后的环境参数采集指令电信号进行峰值检波，获得检波后的信号；
双限比较器的输出端与电子开关的使能端连接；所述双限比较器用于将检波后的信号与2.4V和3.3V比较，获得比较结果；
电子开关用于根据比较结果切换不同的放大倍数，对环境参数采集指令电信号进行自适应放大。
9.根据权利要求5所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，其特征在于，所述水下环境监测传感网络包括：微控制单元和水下环境监测传感器；
微控制单元的充电端和水下环境监测传感器的充电端均与超级电容器连接；
微控制单元的信号输入端与自适应放大器连接，微控制单元的信号输出端与水下环境监测传感器的控制端连接；所述微控制单元用于解析自适应放大后的环境参数采集指令，并根据解析后的环境参数采集指令控制水下环境监测传感传感器采集水下环境数据。
10.根据权利要求9所述的水产养殖中水下环境监测传感网络自供电系统，其特征在于，所述水下环境监测传感器包括：温度传感器、湿度传感器、PH传感器和溶解氧传感器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310551232.5A CN117791762B (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310551232.5A CN117791762B (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117791762A true CN117791762A (zh) | 2024-03-29 |
| CN117791762B CN117791762B (zh) | 2024-06-25 |
Family
ID=90387735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310551232.5A Active CN117791762B (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117791762B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN206302418U (zh) * | 2016-12-09 | 2017-07-04 | 暨南大学 | 一种基于极化码纠错的可见光通信装置 |
| CN109409152A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-03-01 | 成都世纪光合作用科技有限公司 | 一种可见光标签处理方法、标签读取器和标签信息数据库 |
-
2023
- 2023-05-17 CN CN202310551232.5A patent/CN117791762B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN206302418U (zh) * | 2016-12-09 | 2017-07-04 | 暨南大学 | 一种基于极化码纠错的可见光通信装置 |
| CN109409152A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-03-01 | 成都世纪光合作用科技有限公司 | 一种可见光标签处理方法、标签读取器和标签信息数据库 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 罗超: "基于极化码的可见光通信自适应调光方法研究", 《激光与红外》, vol. 51, no. 5, 31 May 2021 (2021-05-31), pages 646 - 651 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117791762B (zh) | 2024-06-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101651369B (zh) | 神经束植入电极的无线供能及无线采集系统 | |
| CN111769819B (zh) | 一种采样频率自适应可调的数据采集方法及系统 | |
| CN102176635B (zh) | 安全监测数据自动采集装置及其供电方法和供电装置 | |
| CN108156690B (zh) | 一种基于环境亮度的led调光方法及系统 | |
| CN106681206B (zh) | 一种面向WSNs的环境自适应的能量感知方法 | |
| CN103475402A (zh) | 一种可见光分集接收方法及系统 | |
| CN103701354B (zh) | 具有自适应假负载的电性源发射机装置及控制方法 | |
| CN110837040B (zh) | 一种用真实线圈模拟Qi标准无线充电的充电器主板测试设备 | |
| CN105471502A (zh) | 基于可见光和太阳能板的通信系统及方法 | |
| CN117791762B (zh) | 一种水产养殖中水下环境监测传感网络自供电方法及系统 | |
| CN103787519B (zh) | 以风能和太阳能互补为动力的水体增氧系统及其控制方法 | |
| CN117295212A (zh) | 一种基于光伏供能的楼宇景观灯节能控制系统与方法 | |
| CN104661409A (zh) | 一种智能调光驱动器 | |
| CN208386714U (zh) | 基于its-vlc的像素间干扰消除系统 | |
| CN101964608B (zh) | 一种光伏发电分布式最大功率输出系统 | |
| CN111585616A (zh) | 一种低压用户侧泛在电力物联网的组网方案 | |
| CN103634971A (zh) | 太阳能路灯控制系统 | |
| CN207441007U (zh) | 一种吊灯智能充电语音遥控器 | |
| CN110062500A (zh) | 电源电路控制方法、控制电路及电源电路 | |
| CN202750293U (zh) | 太阳能路灯控制系统 | |
| CN203299614U (zh) | 基于物联网Android平台的水产养殖远程监控系统 | |
| CN108418543B (zh) | 能源优化系统及其数据通信方法 | |
| CN111446476B (zh) | 一种沉积物型微生物燃料电池长期供电装置 | |
| CN107042870B (zh) | 一种太阳能、风能混合发电的双体船 | |
| CN108494005A (zh) | 基于自适应滑模控制光伏发电mppt控制器及其算法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |