DE102014217597B4

DE102014217597B4 - Unterwasser-Kommunikationssystem und entsprechende Kommunikationsverfahren und Geräte

Info

Publication number: DE102014217597B4
Application number: DE102014217597.6A
Authority: DE
Inventors: c/o Suunto Oy Rahkonen Satu; c/o Suunto Oy Uusitalo Jyrki; c/o Suunto Oy Leskelä Toni
Original assignee: Suunto Oy
Current assignee: Suunto Oy
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: GB2518013A; FI125009B; GB201316722D0; US20150071039A1; FI20135912A; US9225435B2; DE102014217597A1; HK1203065A1; GB2518013B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Unterwasser-Kommunikationssystem und -verfahren. Das System umfasst mindestens ein Unterwasser-Ferngerät mit einer Verarbeitungseinheit und einer funktionell an die Verarbeitungseinheit angeschlossenen ersten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung, die sich zur Kommunikation mit anderen Unterwassergeräten durch Magnetoinduktion eignet, ferner ein am Körper tragbares Unterwasser-Überwachungsgerät mit einer zweiten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung, die sich zur Kommunikation mit dem Ferngerät durch Magnetoinduktion eignet. Erfindungsgemäß enthält das Ferngerät eine funktionell mit der Verarbeitungseinheit verbundene Akustik-Kommunikationseinrichtung, die in der Lage ist, Akustiksignale zu senden. Die Erfindung trägt dazu bei, das Überwachungsgerät klein und energieeffizient zu gestalten und dennoch Langstrecken-Unterwasserkommunikation zu ermöglichen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Unterwasser-Kommunikationssystem zwischen elektronischen Geräten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Tauch-Kommunikationssystem mit mehreren Geräten, die untereinander mit Hilfe von Magnetoinduktion und/oder Akustikwellen kommunizieren können. Die Erfindung betrifft außerdem Unterwasser-Sendeempfangsgeräte mit Sensoreinheiten und deren Funktionen in Unterwasser-Kommunikationssystemen.
Hintergrund der Erfindung
Während eines Tauchgangs muss ein Taucher Kenntnis von den Drücken der verwendeten Gasflaschen haben. Ein geeigneter Weg zum Darstellen der Drücke für den Taucher besteht darin, Drücke von jeder Flasche zu einem tragbaren Tauchcomputer zu übermitteln, der beispielsweise am Handgelenk des Tauchers befestigt ist. In modernen Systemen wird Druckinformation drahtlos von einer Flaschensensoreinheit an den Tauchcomputer gesendet.
Die US 8275311 zeigt ein Verfahren der oben genannten Art. Bei diesem Verfahren wird der Druck einer Druckluftflasche gemessen, und die Druckdaten werden unter Wasser mittels einer niedrigen ersten Frequenz zu einem Tauchcomputer gesendet. Auf der Wasseroberfläche dient eine zweite Frequenz, die höher als die erste Frequenz ist, für eine Zweiwege Telekommunikation zwischen der Druckluftflasche und dem Tauchcomputer.
Obschon nun eine niedrige Frequenz wie beispielsweise unterhalb von 1 MHz, zum Beispiel 5 kHz, wie es in der US 8275311 offenbart ist, sich gut für eine Unterwasserkommunikation eignet, leidet sie unter dem Nachteil, dass die maximale nutzbare Bitrate ebenso wie die maximale Kommunikationsentfernung unvermeidlich gering ist.
Die US RE42218 zeigt ein Unterwasser-Alarmsystem mit von einem ersten Taucher getragenem Sender und von einem zweiten Taucher getragenem Empfänger. Der Sender erzeugt ein drahtlos-Alarmsignal, um die Aufmerksamkeit des zweiten Tauchers zu erregen. Außerdem gibt es andere Unterwasser-, von Taucher zu Taucher funktionierende Alarmsysteme sowie Sprach- und Nachrichten-Kommunikationssysteme. Bei dem offenbarten Alarmsystem kann der Empfänger den Sender durch ein elektronisches Kennungsschema identifizieren, welches von verschiedenen Frequenzkanälen oder elektronischen Kennungs-Kodes Gebrauch machen kann. Das Drahtlos-Alarmsignal kann zum Beispiel als Ultraschallsignal gesendet werden. Allerdings sind Ultraschallsender groß, und Ultraschallsignale benötigen beträchtliche Leistung für ihre Erzeugung. Diese Faktoren machen die offenbarte Lösung unpraktisch und ungeeignet für ein Integrieren in am Handgelenk getragene Tauchcomputer beispielsweise, deren Energiekapazität begrenzt ist und deren Größe relativ klein gehalten werden muss.
Außerdem besteht Bedarf an verbesserten Unterwasser-Kommunikationssystemen und -geräten insbesondere für Langstrecken-Kommunikation von Signalen, beispielsweise Alarmsignalen.
Die WO 2012/040 254 A2 beschreibt ein System und ein Verfahren zur Überwachung von biometrischen Daten eines Tauchers sowie eine Signalisierung dieser Daten von einer ersten Kommunikationsvorrichtung an andere Kommunikationseinrichtungen, beispielsweise Kommunikationseinrichtungen anderer Taucher, auf einem Schiff oder einer Boje. Ein von einer Vorrichtung des Tauchers erzeugtes Signal kann dabei eine Taucher-Kennung, eine Angabe eines Spannungszustandes des Tauchers und einen Standort des Tauchers umfassen.
In der DE 40 33 292 A1 ist eine Überwachungseinrichtung für mobile Atemgeräte beschrieben mit einer Druckmesseinrichtung, durch welche der Druck im Druckbehälter des Atemgeräts erfasst wird, und einer Sendeeinrichtung, durch welche ein dem Druck entsprechendes Signal in regelmäßigen Intervallen ausgesendet wird. Die Sendeeinrichtung weist weiterhin eine Signal-Generierungseinrichtung auf, welche ein Identifikationssignal generiert, das für die Sendeeinrichtung charakteristisch ist. Drucksignal und Identifikationssignal werden von einer Empfangseinrichtung empfangen und überprüft. Wenn das Identifikationssignal mit einem im Empfangsgerät gespeicherten Identifikations-Vergleichssignal übereinstimmt, wird der Druckmesswert auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt.
Gemäß der GB 2 163 029 A wird ein magnetisches Induktionsfeld in Übereinstimmung mit zu übertragenden Informationen moduliert und das resultierende Feld wird an einem entfernten Empfänger detektiert, wo die Informationen extrahiert und in geeigneter Weise angezeigt bzw. verstärkt wird. Durch Verwendung ausreichend empfindlicher Vorrichtungen kann eine derartige Kommunikation unter Wasser über größere Entfernungen verwendet werden als eine elektromagnetische Kommunikation. Darüber hinaus sind im Vergleich mit akustischen Kommunikationsverfahren höhere Datenübertragungsraten möglich und der nutzbare Frequenzbereich ist größer.
Offenbarung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, zumindest einige der oben angesprochenen Probleme zu lösen und ein verbessertes Langstrecken-Unterwasser-Kommunikationssystem anzugeben.
Ein spezielles Ziel ist die Schaffung eines Systems, welches dazu beiträgt, in der Größe passende Tauchcomputer zu schaffen, die sich beispielsweise zum Tragen am Handgelenk des Tauchers eignen.
Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren für die Datenkommunikation unter Wasser anzugeben.
Die Erfindung schafft ein Kommunikationssystem mit mindestens einem Ferngerät und mindestens einem Überwachungsgerät, so zum Beispiel einem am Körper tragbaren Tauchcomputer, wobei die Geräte in der Lage sind, zumindest unidirektional miteinander zu kommunizieren, wenn sie einander nahe genug sind, indem von Magnetoinduktion unter Einsatz geeigneter Kommunikationsmittel Gebrauch gemacht wird. Darüber hinaus besitzt mindestens eines der Ferngeräte eine Einrichtung zum Senden von Daten in Form akustischer Wellen, insbesondere Ultraschallwellen. Die akustischen Datenträgerwellen sind vorzugsweise derart beschaffen, dass die erzielbare akustische Kommunikationsdistanz größer ist als die Kommunikationsdistanz, die durch Magnetoinduktion erreichbar ist. In einer typischen Ausführungsform wird die Magnetoinduktion vollständig oder vornehmlich für eine Kurzstreckenkommunikation zwischen elektronischen Tauchhilfsgeräten, die von einem einzelnen Taucher getragen werden, eingesetzt, wohingegen die akustischen Wellen für eine Kommunikation über größere Distanzen zwischen Tauchern oder zwischen einem Taucher und einer anderen externen Kommunikationseinheit dienen. Beispielsweise kann die magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung eine maximale Reichweite von weniger als 5 Meter, typischerweise weniger als 3 Meter aufweisen, während die Ultraschall-Kommunikationseinrichtung eine Reichweite von mindestens 10 Metern aufweist.
Die magnetoinduktive Kommunikation kann beispielsweise das Senden von Sensordaten enthaltenden Datenpaketen von dem Ferngerät zu dem Überwachungsgerät beinhalten. Der Tauchcomputer ist so konfiguriert, dass er nach Datenpaketen der Ferngeräte lauscht, wozu er typischerweise ein Display zur Visualisierung der empfangenen Sensordaten für den Taucher aufweist. Die magnetoinduktive Kommunikation kann auch bidirektional gestaltet sein. Die akustische Kommunikation kann beispielsweise das Übertragen von Nachrichten, Alarmsignal oder Sensordaten an andere Taucher oder an die Oberfläche beinhalten. Auf diese Weise kann die akustische Kommunikationsverbindung dazu eingesetzt werden, den Bereich magnetoinduktiver Kommunikationssysteme zu erweitern, indem zwischen den zwei verschiedenen Verfahren der drahtlosen Kommunikation ein Weiterleitelement geschaffen wird.
Zum Ermöglichen einer magnetoinduktiven Kommunikation kann es geeignete Rahmenantennen in den Kommunikationsgeräten geben, die ein Magnetfeld erzeugen und erfassen. In einer Unterwasserumgebung ist ein von einer derartigen Antenne erzeugtes elektrisches Feld schwach, es wird im Nahfeld der Antenne rasch gedämpft, so dass die Kommunikation zwischen den Geräten praktisch magnetoinduktiv ist. Um eine akustische Kommunikation zu ermöglichen, kann ein akustischer Wandler vorgesehen werden, zum Beispiel ein piezoakustischer Wandler oder ein elektromagnetischer akustischer Wandler.
Insbesondere ist die Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche definiert.
Die Erfindung weist beträchtliche Vorteile auf. Kurz gesagt, genießt die Erfindung den Vorteil zweier verschiedener Drahtlos-Kommunikationsverfahren in einer Mehrgeräteumgebung, um eine neue Art von Tauchhilfssystem zu schaffen, wobei die Vorteile größer sind als jene der Verfahren im einzelnen. Da der akustische Sender nicht in einem am Körper tragbaren Überwachungsgerät vorhanden ist, sondern in dem Ferngerät, kann das Überwachungsgerät klein bauen und dem Bedarf geringen Energieverbrauchs entsprechen. Beispielsweise lässt sich ein kleiner am Handgelenk getragener Tauchcomputer realisieren. Das Ferngerät, welches typischerweise in die Tauchausrüstung integriert ist, die an der Tauchweste des Tauchers getragen wird, kann beträchtlich größer sein und demzufolge den akustischen Sender und eine größere Batterie enthalten. Beispielsweise könnten Druckluftflaschen-Drucksensoren eine derartige Zusatz-Funktionalität aufweisen, die ohne abträglichen Einfluss auf die Gebrauchsmöglichkeit eingebaut werden kann. Alternativ zu der Integration mit einem Sensorgerät oder dergleichen kann der kombinierte magnetische und akustische Kommunikator als separates Gerät implementiert werden. Zusätzlich dazu, dass das Überwachungsgerät klein bauen und Energie effizient arbeiten kann, hat der Taucher nach wie vor die Möglichkeit, über größere Strecken zu kommunizieren, bedingt durch die akustische Kommunikationseinrichtung als wesentliches funktionelles Teilmerkmal des Systems. Die akustische Kommunikationseinrichtung der Ferneinheit kann unterschiedliche Aufgaben oder Rollen erhalten, wie weiter unten noch diskutiert wird. Das am Körper tragbare Überwachungsgerät ist vorzugsweise ohne akustische Kommunikationseinrichtung.
Abhängige Ansprüche betreffen ausgewählte Ausführungsformen der Erfindung.
In einer Ausführungsform enthält das vorliegende Unterwasser-Kommunikationssystem mindestens ein Unterwasser-Ferngerät mit einer Verarbeitungseinheit und funktionell angeschlossen an die Verarbeitungseinheit eine erste magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung, die in der Lage ist, mit anderen Unterwassergeräten über Magnetoinduktion zu kommunizieren, und ein am Körper tragbares Unterwasser-Überwachungsgerät mit einer zweiten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung, die im Stande ist, mit dem Ferngerät durch Magnetoinduktion zu kommunizieren. Die magnetoinduktive Kommunikationsfrequenz beträgt vorzugsweise 10 MHz oder weniger, typischerweise 1 kHz–1 MHz. Das Ferngerät enthält weiterhin eine an die Verarbeitungseinheit angeschlossene akustische Kommunikationseinrichtung, die in der Lage ist, akustische Signale zu senden, vorzugsweise bei einer Frequenz von 20 kHz oder mehr. Daten können den Ultraschallsignalen durch Modulationsverfahren aufgeprägt werden, beispielsweise bei der magnetoinduktiven Kommunikation.
Bei einer Ausführungsform ist das Unterwasser-Ferngerät an eine Drucklufttauchgerät-Weste, eine Drucklufttauchgerät-Garnitur oder Druckluftflaschen angebracht oder anbringbar, die zu der Tauchausrüstung des Tauchers gehören, der auch das tragbare Überwachungsgerät mit sich führt. Vorzugsweise ist das Überwachungsgerät direkt an einem Körperteil des Tauchers befestigbar. Beispielsweise kann es sich um einen Armband-Tauchcomputer oder um eine Tauchmaske mit Display-Möglichkeit handeln, ähnlich wie ein HUD (Head-Up-Display). Damit kann der Taucher in einfacher Weise Daten verfolgen, die durch das Ferngerät von anderen Geräten der Ausrüstung geliefert werden.
Bei einer Ausführungsform enthält das Ferngerät einen Atmungsgas-Drucksensor, der funktionell an die Verarbeitungseinheit angeschlossen ist, welche ihrerseits dazu ausgebildet ist, Druckdaten oder vom Druck abgeleitete Daten zu kommunizieren, die von dem Gasdrucksensor geliefert werden, wozu die erste magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung und/oder die akustische Kommunikationseinrichtung eingesetzt werden. Ein solches Ferngerät kann beispielsweise ein Druckluftflaschen-Drucksensor oder ein Kreislauftauchgerät-Partial-Sauerstoffdrucksensor sein. Bei dieser Ausführungsform können Gasdruckdaten passender Weise über kurze oder große Distanzen kommuniziert werden.
Bei einer Ausführungsform enthält das Ferngerät einen Ortssensor, der funktionell an die Verarbeitungseinheit angeschlossen ist, die ihrerseits dazu ausgebildet ist, Ortsdaten oder von einem Ort abgeleitete Daten zu übermitteln, welche von dem Ortssensor geliefert werden, wozu die erste magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung und/oder die akustische Kommunikationseinrichtung eingesetzt werden/wird. Durch diese Ausführungsform kann das System eine Ortungsfunktion erhalten, wobei der Ortssensor getrennt von dem Überwachungsgerät sein kann, wodurch dessen Baugröße und Energieverbrauch weiter reduziert werden. Die Ortsdaten können über größere Distanzen hinweg an den Taucher oder andere Personen oder Geräte übermittelt werden.
Bei einer Ausführungsform besitzen die erste und die zweite magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung einen maximalen magnetoinduktiven Kommunikationsbereich, und die akustische Kommunikationseinrichtung besitzt einen maximalen Akustikkommunikationsbereich, der mindestens zwei Mal, vorzugsweise mindestens zehnmal größer ist als der maximale magnetoinduktive Kommunikationsbereich.
Bei einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit des Ferngeräts dazu ausgebildet, Sensordaten von einem in ihm enthaltenen oder an ihm angeschlossenen Sensor zu empfangen und das Senden eines Akustiksignals mit Hilfe der akustischen Kommunikationseinrichtung zu veranlassen, wenn die Sensordaten vorab definierte Kriterien erfüllen. Beispielsweise brauchen Alarmsignale nicht zu dem Überwachungsgerät durchgeleitet zu werden, sondern es kann eine Entscheidung über den Alarm sofort bei einem Ferngerät getroffen werden, welches das Ausgangssignal der Sensoren als erstes empfängt.
Bei einer Ausführungsform ist das Überwachungsgerät dazu ausgebildet, akustische Kommunikationsbefehle an das Ferngerät mittels der zweiten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung zu senden, und das Ferngerät ist dazu ausgebildet, die akustischen Kommunikationsbefehle von dem Überwachungsgerät mit Hilfe der ersten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung zu empfangen und das Senden eines akustischen Signals mit der akustischen Kommunikationseinrichtung bei Empfang eines solchen Kommunikationsbefehls zu veranlassen. Mit Hilfe dieser Ausführungsform kann der Benutzer die Notwendigkeit eines Alarmsignals vermitteln oder bestätigen, beispielsweise dadurch, dass das aktuelle Signal weiterhin von dem Ferngerät gesendet wird. Dies trägt dazu bei, Batterieverbrauch in der Überwachungseinheit einzusparen, was insbesondere in Notsituationen unerlässlich ist.
Bei einer Ausführungsform ist die erste magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung ausgelegt für eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Ferngerät und anderen Unterwasser-Ferngeräten. Diese Ausführungsform ermöglicht es dem Ferngerät, mit anderen, ähnlichen Geräten zu kommunizieren, so zum Beispiel mit anderen jeweils einen Sensor enthaltenden Geräten, um beispielsweise ihre Kommunikations-Zeitablaufschemata miteinander zu synchronisieren, damit es sämtliche Geräte in stabiler Weise mit dem Überwachungsgerät kommunizieren können. Durch diese Ausführungsform können die übrigen Kommunikationsgeräte ebenfalls Sensordaten an das Ferngerät senden, das den akustischen Sender zur Übertragung über eine große Strecke enthält.
Bei weiteren Ausführungsformen sind die erste und die zweite magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung dazu ausgebildet, eine unidirektionale Kommunikation von dem Ferngerät zu dem Überwachungsgerät oder eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Ferngerät und dem Überwachungsgerät einzurichten. Die erstgenannte Ausführungsform ermöglicht ein Minimieren des Energieverbrauchs des Überwachungsgeräts, da kein Senden erforderlich ist. Andererseits gestattet die letztgenannte Ausführungsform dem Überwachungsgerät, die Rolle eines Mastergeräts innerhalb des Systems zu übernehmen und Daten (zum Beispiel Alarmbefehle, Synchronisationsbefehle oder Nachrichten) von dem Monitorgerät zu den Ferngeräten zwecks weiterer Aktionen zu senden.
Bei einer Ausführungsform ist die akustische Kommunikationseinrichtung außerdem im Stande, akustische Signale zu empfangen und in den akustischen Signalen enthaltene Daten zu der Verarbeitungseinheit zu übermitteln, von der aus die Daten mit Hilfe der magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung weiter zu der Überwachungseinheit geleitet werden können. Diese Ausführungsform versetzt das System in die Lage, über größere Strecken eine bidirektionale Kommunikation einzurichten, beispielsweise für eine interaktive Kommunikation von Taucher zu Taucher.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät konfiguriert zum Senden von Alarmsignalen in Form akustischer Signale, wobei die Alarmsignale Alarmdaten, beispielsweise Gasdruck-Alarmdaten, Tiefenalarmdaten oder Ortsalarmdaten umfassen. Die Alarmdaten können natürlich einige weitere Daten umfassen, die von einem anderen Sensor oder Alarmgeber, die Bestandteil des Systems sind, geliefert werden, so zum Beispiel vitale Funktionen betreffend Alarmdaten (zum Beispiel Herzschlag-Alarmdaten), oder „Gefahr in Verzug”-Alarmdaten. Wie oben diskutiert wurde, lassen sich die Alarmdaten automatisch von dem System einleiten, oder aber von dem Taucher, der von einer geeigneten Eingabeeinrichtung bei einem der Geräte des Systems, vorzugsweise dem Überwachungsgerät, Gebrauch macht.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät in der Lage, seine magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung mit anderen, ähnlichen Ferngeräten in dem System zu synchronisieren, um gleichzeitiges Senden magnetoinduktiver Signale durch die Ferngeräte zu vermeiden. Die Synchronisation wird in dieser Schrift weiter unten eingehender erläutert. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie dazu beiträgt, den Energieverbrauch des Überwachungsgeräts gering zu halten und eine stabile Kommunikation zu ermöglichen. Wenn dem System ermöglicht wird, mehrere akustische Sender zu enthalten, so werden diese vorzugsweise ebenfalls synchronisiert, zum Beispiel nach einem ähnlichen Prinzip wie die magnetoinduktiven Sender.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Kommunizieren in Unterwasserumgebungen zwischen mindestens einem Überwachungsgerät, mindestens einem Ferngerät, welches Daten für das Überwachungsgerät bereitstellen kann, und mindestens einem externen Empfänger, wobei das Überwachungsgerät und das Ferngerät zur Ausrüstung eines einzelnen Tauchers gehören, während der externe Empfänger sich außerhalb dieser Ausrüstung befindet. Entsprechend den Prinzipien der Erfindung umfasst das Verfahren das Kommunizieren zwischen dem am Körper tragbaren Überwachungsgerät und dem Ferngerät mit Hilfe von Magnetoinduktion, und das Kommunizieren zwischen dem Ferngerät und dem externen Empfänger mit Hilfe akustischer Wellen.
Definitionen
„Überwachungsgerät” ist ein Gerät, welches in der Lage ist, Daten von anderen Geräten zu empfangen und typischerweise weiterzuverarbeiten, um für einen Benutzer angezeigt zu werden, in einem Speicher abgespeichert zu werden und/oder weitere Kommunikation einzuleiten. Das Überwachungsgerät kann auch in der Lage sein, Daten zu senden, so dass es auch als Steuereinrichtung des Ferngeräts fungieren kann, beispielsweise als Mastergerät des vorliegenden Kommunikationssystems.
„Ferngerät” ist ein Gerät, welches dazu ausgebildet ist, Daten zu erfassen und zu dem Überwachungsgerät zu senden. Das Erfassen kann beispielsweise mit Hilfe eines Sensors, so zum Beispiel eines Drucksensors oder Ortssensors geschehen, der mittels Draht oder durch eine Drahtlosverbindung mit dem Ferngerät integriert oder daran angeschlossen ist. Insbesondere kann es sich bei einem Ferngerät um einen Sendeempfänger handeln, der Datenpakete sowohl empfangen als auch senden kann. Ein Ferngerät kann ein Slavegerät sein, das heißt ein Gerät, welches von einem Master Befehle empfängt, es kann aber auch ein unabhängiges Gerät sein.
„Sendeempfänger” oder „Sendeempfangsgerät” bedeutet im vorliegenden Zusammenhang ein Gerät, welches Daten empfangen und senden kann, vorzugsweise in Form digitaler Datenpakete (Bursts) mit vorab definierter Paketform, die durch ein Kommunikationsprotokoll definiert wird.
Der Begriff „Ablaufschema” (Timing scheme) bedeutet eine Menge an Information und Regeln, welche definieren, wann ein Gerät vermutlich Daten an andere Geräte sendet, das heißt es handelt sich um ein zeitliches Sendeschema. Ein einfach gestaltetes Beispiel für ein Zeitablaufschema lautet „Sende Datenpaket mit einer Länge von maximal X ms einmal alle N Sekunden, starte jetzt”. In der Praxis ist das Zeitablaufschema häufig eine komplexere Menge von Hintergrundinformation und Regeln, einschließlich die Definition eines allgemeinen Kommunikationszeitrahmens, eines Sendefensters, Zeitschlitzen oder Verschachtelungsbefehlen wie „das derzeit verwendete Schema besteht aus N Zeitschlitzen mit jeweils einer Länge von X ms. Die ersten M Zeitschlitze sind reserviert, die nächsten K Zeitschlitze sind zum Senden reserviert. Dieses Gerät verwendet derzeit den Zeitschlitz L. Keine Verschachtelung”. Das Zeitablaufschema ist dazu ausgebildet, in jedem Gerät innerhalb des Systems wiederholt zu werden, das heißt das Senden jedes Geräts in dem gewünschten Augenblick findet in vorab definierten, vorzugsweise konstanten Intervallen statt. In ähnlicher Weise erfolgt innerhalb der lauschenden oder horchenden Geräte das Horchen in wiederholter Weise in den gleichen Intervallen statt. Das Intervall kann dem Zeitrahmen der Kommunikation gleichen, es kann aber auch länger sein, so zum Beispiel bei einem verschachtelten Betrieb, wie es weiter unten erläutert wird. Das Intervall kann auch zur Einsparung von Energie verlängert werden, so dass sich dazwischen eine Pause befindet.
„Einstellen des Zeitablaufschemas” bedeutet das Ändern der Informations- und Regelmenge in einem Gerät, um die Kommunikation zwischen dem Gerät und anderen Unterwassergeräten zu beeinflussen.
Ein „Zeitschlitz” ist ein Abschnitt eines Sendefensters, in denen es Geräten erlaubt ist, ihre Daten zu senden. Ein „belegter Zeitschlitz” ist ein Zeitschlitz, den ein Gerät innerhalb des Systems zum Senden verwendet. Ein „freier Zeitschlitz” ist ein Zeitschlitz, der von keinem Gerät innerhalb des Systems benutzt wird. Der „nächste freie Zeitschlitz” ist ein freier Zeitschlitz, der chronologisch als nächstes an belegte Zeitschlitze anschließt. Ein „zulässiger Zeitschlitz” ist ein Zeitschlitz, der zum Senden von Sendeempfangsgeräten vorgesehen ist. Ein „reservierter Zeitschlitz” dient anderen Zwecken, so zum Beispiel für Mastergerät-Sendungen oder zum Registrieren neuer Geräte.
Der Begriff „Datenstrom” bedeutet eine Menge individueller Datenpakete unterschiedlicher Geräte, die in verschiedenen, vorzugsweise aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen in synchronisierter Weise gesendet werden.
„Lauschen” durch ein Gerät bedeutet, dass das Gerät sich in einem Zustand befindet, in welchem es möglicherweise von einem oder mehreren anderen Geräten gesendete Datenpakete empfangen und nachweisen kann. Eine „Lauschperiode” oder „Lauschzeitspanne” ist eine Zeitspanne, während der ein Gerät nach anderen Geräten innerhalb des Systems lauscht. Lauschperioden sind synchronisiert mit den Sendeperioden der sendenden Geräte des Systems.
Ein „Sensor” ist jedes Gerät, welches auf Änderungen physikalischer Bedingungen reagiert, die mit dem Gerät interagieren (zum Beispiel ein Gasdrucksensor, ein Temperatursensor, ein Tiefensensor), oder welches in der Lage ist, Signale nachzuweisen und zu interpretieren, die von anderen Geräten gesendet werden, die nicht Teil des hier beschriebenen aktuellen Kommunikationssystems sind (zum Beispiel ein Satelliten-Ortungssensor oder Geocache-Detektor), oder ein Gerät, welches Eingaben von einem Benutzer aufnimmt (spürt). Damit ist der Begriff Sensor in breitestem Sinn zu interpretieren.
Im folgenden werden Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Überblick über das beispielhaft mit drei Druckluftflaschen ausgestattete vorliegende System, ausgestattet mit Drucksensor-Sendeempfängern als Ferngeräte, einem Tauchcomputer als Überwachungsgerät und einem externen Ultraschallempfänger.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ferngeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3A veranschaulicht ein Blockdiagramm eines nur als Empfänger ausgebildeten Überwachungsgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3B zeigt ein Blockdiagramm eines Sendeempfänger-Überwachungsgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Zeitablaufschema des Magnetoinduktions-Teils des Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 veranschaulicht ein Zeitablaufschema des Magnetoinduktions-Teils des Kommunikationssystems und in einer verschachtelten Betriebsart gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt ein Flussdiagramm der Arbeitsweise des Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 zeigt als Tabelle ein beispielhaftes Datenpaketformat, welches in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
8A veranschaulicht schematisch zwei Taucher, welche die Vorteile des Kommunikationssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nutzen.
8B veranschaulicht schematisch einen Taucher und ein Boot, die den Vorteil des Kommunikationssystems nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nutzen.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 veranschaulicht eine Ausführungsform mit drei Druckluftflaschen 12A, 12B, 12C, an denen Sendeempfänger-Sensorgeräte 14A, 14B, 14C angebracht sind. Die Sendeempfänger-Sensorgeräte 14A, 14B, 14C fungieren als Ferngeräte im Sinne der Erfindung. Die Sensorteile der Geräte 14A, 14B, 14C messen den Gasdruck innerhalb der Flaschen 12A, 12B bzw. 12C und liefern Sensorwerte an die Sendeempfangsteile der Geräte 14A, 14B, 14C. Die Geräte 14A, 14B, 14C senden ihre entsprechenden Sensorwerte an andere Geräte in der Nähe unter Nutzung von Magnetoinduktion. Außerdem ist ein Monitorgerät oder Überwachungsgerät 10 in Form eines Tauchcomputers vorgesehen. Das Überwachungsgerät kann die von den Sendeempfängern 14A, 14B, 14C gesendeten magnetoinduktiven Signale empfangen. Die magnetoinduktive Kommunikation findet innerhalb eines kleinen Bereichs statt, welcher durch einen gestrichelten Kasten veranschaulicht ist. Außerhalb des Kastens sind die magnetoinduktiven Signale zu schwach für die in ihnen enthaltenen Daten, damit diese von dem Überwachungsgerät 10 entnommen werden könnten.
Einer der Sendeempfänger 14C ist mit einer Einrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen aus dem magnetoinduktiven Kommunikationsbereich heraus ausgestattet. Um dies zu veranschaulichen, gibt es einen Ultraschallempfänger 16, der als Teil des vorliegenden Kommunikationssystems geliefert werden kann, aber auch als unabhängiger Empfänger fungieren kann. Der Ultraschallempfänger 16 kann sich zum Beispiel auf einem Boot oder an einer Ausrüstung eines anderen Tauchers befinden. In einer Ausführungsform ist der Ultraschallempfänger ein ähnliches Ferngerät eines anderen Tauchers, der ein ähnliches Kommunikationssystem benutzt.
2 veranschaulicht einen Sendeempfänger 24 als Blockdiagramm. Das Gerät 24 enthält eine E/A-Einheit 21, die sich zum Empfangen eines Sensorsignals von einem Sensor eignet. Die E/A-Einheit ist funktionell mit einer Verarbeitungseinheit 23 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 23 ist weiterhin mit einer Zweiwege-Kommunikationseinheit 25 verbunden, die den Sensorwert als magnetoinduktives Signal senden oder Daten von anderen Geräten empfangen kann, und sie dient möglichen weiteren Kommunikationszwecken. Die Verarbeitungseinheit 23 enthält einen Speicher zum vorübergehenden Speichern der Sensordaten oder für interne Software. Weiterhin gibt es einen Ultraschallsender 28, der funktionell mit der Verarbeitungseinheit 23 verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit 23 steuert den Sender 28, damit dieser Ultraschallsignale mit gegebenem Dateninhalt sendet, falls notwendig.
Der Ultraschallsender 28 kann ein Ultraschallwandler sein, der Ultraschallsignale sowohl senden als auch von externen Geräten empfangen kann. In letzterem Fall kann die Verarbeitungseinheit dazu ausgebildet sein, die empfangenen Signale zu interpretieren. In diesem Fall können Kommunikationssysteme unterschiedlicher Taucher miteinander kommunizieren.
Bei einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit 23 dazu ausgebildet, über die Notwendigkeit einer Ultraschallübertragung basierend auf den Sensordaten zu entscheiden. Wenn beispielsweise ein Gasdruck einer Druckluftflasche auf einen zu geringen Wert gesunken ist, kann das Gerät 24 ein Alarmsignal senden.
Bei einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit 23 dazu ausgebildet, eine Ultraschallübertragung basierend auf einem Befehl einzuleiten, der von einem anderen Ferngerät oder Überwachungsgerät empfangen wurde. In ersterem Fall kann die Ursache für das Ultraschallsignal beispielsweise ein geringer Druck in einer anderen Druckluftflasche innerhalb des Systems sein, oder eine möglicherweise gefährliche Situation, die von irgendeinem anderen Sensor innerhalb des Systems bemerkt wurde. In letzterem Fall kann die Ursache für das Ultraschallsignal zum Beispiel ein manuell ausgelöster Alarmbefehl des Benutzers sein, so zum Beispiel im Fall von Gefahr oder einer Verschlechterung des physischen Zustands des Tauchers.
Obschon hier als bevorzugte Ausführungsform vorgestellt, muss das Ultraschallsignal nicht ein Alarmsignal sein, sondern kann irgendein anderes Signal sein, so zum Beispiel ein Tauchbedingungs-Berichtssignal an die Oberfläche oder ein übliches Kommunikationssignal von Taucher zu Taucher.
Die Verarbeitungseinheit enthält die notwendige Hardware und Software zum Definieren und Verwenden eines Zeitablaufschemas für die Kommunikation mit anderen Geräten, ebenso wie Software zum Einstellen des Zeitablaufschemas.
Außerdem kann in dem Ferngerät 24 ein Display 27 vorgesehen sein, um die Sensordaten zur Anzeige zu bringen, allerdings ist dies nicht notwendig, da typischerweise die Überwachung während des Tauchgangs mit Hilfe des Überwachungsgeräts erfolgt, welches mit dem Ferngerät kommuniziert und eine Anzeige aufweist, die in besserer Reichweite für den Taucher liegt.
8A veranschaulicht eine erste Taucherausrüstung 80A mit einem ersten Überwachungsgerät 81A und einem ersten Ferngerät 82A. Außerdem gibt es eine zweite Taucherausrüstung 80B mit einem zweiten Überwachungsgerät 81B und einem zweiten Ferngerät 82B. In diesem Fall ist das erste Überwachungsgerät 81A mit magnetoinduktiver Sendefähigkeit ausgestattet und kann daher die Ferneinheit 82A anweisen, ein Akustiksignal an die Ferneinheit 82B des anderen Tauchers zu senden. Die zweite Ferneinheit 82B leitet die von dem Akustiksignal getragene Nachricht weiter zu dem Überwachungsgerät 81B des zweiten Tauchers, und zwar mittels magnetoinduktiver Kommunikation, um die Aufmerksamkeit des zweiten Tauchers zu erregen. Sind die Systeme der Taucher identisch, das heißt, sind sämtliche Geräte für eine bidirektionale Kommunikation ausgelegt, so ist auch eine Benachrichtigung in die andere Richtung möglich. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft beispielsweise bei dem üblichen Nachrichtenaustausch zwischen Tauchern und zur Absetzung von Alarmsignalen, die manuell von einem Taucher eingeleitet werden oder automatisch von dem Überwachungsgerät eingeleitet werden, basierend auf Eingangsdaten von einem oder mehreren damit gekoppelten Sensoren.
8B zeigt eine weitere Ausführungsform, die keine Sendefähigkeit ausgehend von einem Überwachungsgerät erfordert. Es gibt eine einzige Taucherausrüstung 84 mit einem Überwachungsgerät 85 und einem Fernsensorgerät 86. Das Ferngerät 86 ist so programmiert, dass es von sich aus ein Signal sowohl durch Magnetoinduktion an das Überwachungsgerät 85 als auch mittels eines Akustiksignals an einem in einem Boot 88 auf der Wasseroberfläche befindlichen Empfänger sendet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass automatisch Niedrig-Gasdruck-Alarme, Ortsinformation und andere reguläre Überwachungsinformation direkt von einem Fernsensorgerät zur Oberfläche gesendet werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen lassen sich kombinieren, so dass verschiedene Typen des Einleitens von akustischen Nachrichten für unterschiedliche Zwecke verwendet werden.
Magnetoinduktive Kommunikation
Ein beispielhaftes magnetoinduktives Kommunikationssystem, in welchem der vorliegende Ultraschallsender als zusätzliche Komponente einsetzbar ist, wird im folgenden erläutert.
In einer Ausführungsform enthält das System mindestens zwei Sendeempfangsgeräte mit der Fähigkeit, nach magnetoinduktiven Datenpaketen anderer Sendeempfänger zu lauschen und die eigene Zeitsteuerung für den Sendevorgang basierend auf den empfangenen Signalen einzustellen. Der Sendeempfänger besitzt eine Kommunikationseinheit, die in der Lage ist, Daten als Datenpakete nach Maßgabe eines Zeitablaufschemas zu senden, beispielsweise einmal alle paar Sekunden. Der Zweck des Einstellens des Zeitablaufschemas besteht darin, dass die Datenpakete verschiedener Geräte in synchronisierter Beziehung zueinander, jedoch nicht gleichzeitig gesendet werden. Das Schema kann beispielsweise dadurch gebildet sein, dass es spezifische Zeitschlitze gibt, die für Sendevorgänge der Geräte zugelassen sind.
Es gibt zwei prinzipielle Wege, die Einstellung der Sendeempfänger vorzunehmen. Erstens: sie können das Zeitablaufschema basierend auf Signalen ähnlicher Geräte selbst einstellen. Zweitens: sie können spezifische Einstellbefehle von einem Mastergerät empfangen, welches einige oder sämtliche Sendeempfänger steuert. Das Mastergerät kann beispielsweise ein am Handgelenk getragener Tauchcomputer sein.
Insbesondere kommunizieren die Sendeempfänger miteinander und/oder mit dem Überwachungsgerät durch Senden eines Signals von einem ersten Gerät, Empfangen des Signals an einem zweiten Gerät und Einstellen des Zeitablaufschemas des zweiten Geräts basierend auf der Empfangszeit des Signals, um eine Kollision von Signalen zu vermeiden und die Signale in eine genau definierte zeitliche Reihenfolge zu bringen. Das am vorteilhaftesten ausgeführte Verfahren ist derart beschaffen, dass es mehrere zulässige Zeitschlitze für einen Sendevorgang gibt und die Geräte so eingestellt werden, dass sie von aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen Gebrauch machen. Damit bilden die kurzen Datenpakete der Geräte zusammen ein längeres Signal, welches während einer Lauschperiode von dem Überwachungsgerät empfangen werden kann.
Die Ausführungsform ohne das als Master fungierende Überwachungsgerät ist besonders bevorzugt, weil ihr Energieverbrauch und ihre Baugröße weiter verringerbar sind, da keine Sendemöglichkeiten, sei es durch Magnetoinduktion oder durch Ultraschall, innerhalb des Überwachungsgeräts erforderlich sind.
Das beschriebene magnetoinduktive Kommunikationsschema trägt dazu bei, ein zuverlässiges Lauschen nach den gesendeten Signalen zu verbessern, da Sendekollisionen durch Synchronisieren des Zeitschemata der Sender vermieden werden. Zweitens trägt es dazu bei, den Energieverbrauch bis auf die gesendeten Signale lauschenden Lauschers deshalb zu reduzieren, weil besser bekannt ist, wann ein Signal zu erwarten ist, so dass der Empfänger dann entsprechend für kürzere Zeitspannen eingeschaltet werden kann. Drittens trägt die Erfindung dazu bei, die gesendete und empfangene Datenmenge zu steigern, weil die gesendeten Signale in einer gut definierten Ordnung und in exakt definierten Zeitschlitzen und nicht zu willkürlichen Zeiten gesendet werden. Damit lassen sich in ein gegebenes Zeitfenster mehr Bits einbringen.
Gemäß einer Ausführungsform enthalten die Sendeempfänger eine Sensoreinheit zum Liefern eines Sensorwerts und eine Kommunikationseinheit, die funktionell mit der Sensoreinheit verbunden ist und eine Einrichtung zum drahtlosen Senden des Sensorwerts zu einem anderen Unterwassergerät in Form von Datenpaketen entsprechend einem in einem Speicher des Geräts gespeicherten Zeitablaufschema aufweist. Die Kommunikationseinheit ist außerdem in der Lage, das Zeitablaufschema basierend auf empfangenen Datenpaketen einzustellen, um ein gleichzeitiges Senden von Unterwassergeräten zu vermeiden.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Sensorwert über eine Sensorverbindung für eine externe, in dem Sendeempfänger angeordnete Sensoreinheit geliefert werden. Die Sensorverbindung kann einen Verbinder für eine Kabelverbindung oder eine drahtlose Sensorverbindungseinrichtung sein.
Die Einrichtung zum Einstellen ist vorzugsweise so konfiguriert, dass sie das Zeitablaufschema basierend auf der Empfangszeit oder dem Inhalt der empfangenen Datenpakete einstellt. Diese zwei Möglichkeiten sind verschieden voneinander, jedoch einander nicht ausschließliche Vorgehensweisen für die Einstellung. Das heißt, die Einstellung kann sowohl auf der Empfangszeit als auch auf dem Inhalt von einem oder mehreren empfangenen Datenpaketen basieren.
Bei der ersten Vorgehensweise ist die Einrichtung zum Einstellen für eine Selbsteinstellung des Zeitablaufschemas zwecks Synchronisieren der Sendeeinrichtung mit dem für den Empfang des Datenpakets vorgesehenen Gerät konfiguriert. Werden von zwei oder mehr Geräten mehr als ein Datenpaket empfangen, so kann die Einstellung auf einer zeitlichen Verteilung der Datenpakete basieren. Als Ergebnis einer derartigen Einrichtung beginnen die Geräte mit dem Sendevorgang ihre zugehörigen Sensorwerte zu verschiedenen Zeiten und in miteinander synchronisierter Weise.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Zeitablaufschemata der jeweiligen Geräte eine vorab konfigurierte Menge sich zyklisch wiederholender Zeitschlitze, die für Sendevorgänge zugelassen sind. Jedes Gerät macht von einem Zeitschlitz Gebrauch. Die Einrichtung zum Einstellen ist konfiguriert zum Auswählen eines freien Zeitschlitzes, vorzugsweise des nächsten freien Zeitschlitzes für einen Sendevorgang. Wenn beispielsweise ein Gerät durch den Empfang von Signalen anderer Geräte erfährt, dass die Zeitschlitze 1 und 2 für die Sendeempfänger bereits in Gebrauch sind, jedoch der Zeitschlitz 3 nicht in Gebrauch ist, so kann es den nächsten freien Zeitschlitz 3 hernehmen.
Die Dauer des Wiederholungszyklus der Zeitschlitze ebenso wie die Anzahl, die Startzeitpunkte und die Dauer der Zeitschlitze sind vorzugsweise vorab für jeden Sendeempfänger innerhalb des Kommunikationssystems konfiguriert. Darüber hinaus ist der zur Verwendung des speziellen Geräts zugewiesene Zeitschlitz innerhalb jedes Geräts konfiguriert oder konfigurierbar.
Der wichtigste in einem Sendeempfänger während dessen Benutzung einzustellender Parameter ist die Zeitsteuerung, am meisten bevorzugt der Zeitschlitz aus einer Menge von Zeitschlitzen, welcher für den Sendevorgang entsprechend den oben angesprochenen Prinzipien zu verwenden ist. Weitere Parameter des zeitlichen Sendeschemas können eher permanent konfiguriert sein und brauchen nicht während jedes Tauchvorgangs oder zu Beginn jedes Tauchvorgangs geändert zu werden. Allerdings ist nicht ausgeschlossen, dass diese Parameter auch während des Tauchgangs eingestellt werden. Praktische Modelle zum Durchführen der Selbsteinstellung werden in dieser Beschreibung weiter unten in größerer Einzelheit erläutert.
3A veranschaulicht ein Überwachungsgerät 30A, welches nur als Empfänger arbeitet. Das Gerät enthält eine Einwege-Kommunikationseinheit 31A, die in der Lage ist, Daten von anderen Geräten zu empfangen. Weiterhin enthält das Gerät 30A eine Verarbeitungseinheit 33A, die funktionell mit der Kommunikationseinheit 31A verbunden ist, und ein Display 37A, das funktionell mit der Verarbeitungseinheit 33A verbunden ist. Die Verarbeitungseinheit 33A ist in der Lage, von der Kommunikationseinheit 31A hereinkommende Daten zu verarbeiten und diese auf dem Display 37A zur Anzeige zu bringen.
Bei dem zweiten Weg arbeitet das Sendeempfangsgerät als Slave-Gerät, und innerhalb des Systems gibt es ein Mastergerät. Die Kommunikationseinrichtung ist dazu ausgebildet, ein Datenpaket von dem Mastergerät zu empfangen, wobei dieses Datenpaket Master-Statusinformation und einen Zeitablaufschema-Befehl beinhaltet. Die Einrichtung zum Einstellen ist dazu ausgebildet, das Zeitablaufschema basierend auf dem empfangenen Datenpaket einzurichten. Als konkrete Ausgestaltung dieser Idee kann das Master-Datenpaket einen Datenabschnitt „ich bin der Master” enthalten, der von dem Sendeempfänger erkennbar ist, außerdem einen Befehl „Nimm Zeitschlitz Nr. N”, ebenfalls von dem Sendeempfänger identifizierbar. Der Sendeempfänger gehorcht den Befehlen und beginnt, seinen Sensorwert unter Verwendung des Zeitschlitzes N zu senden.
Innerhalb der Master-Slave-Betriebsart gibt es typischerweise einen für die Sendeempfänger reservierten Zeitschlitz, der es ihnen ermöglicht, Repräsenz dem Mastergerät mitzuteilen. Damit empfängt das Mastergerät Signale von sämtlichen Sendeempfängern und ist im Stande, für jeden Sendeempfänger einen individuellen Zeitschlitz zuzuweisen.
3B veranschaulicht ein Überwachungsgerät 30B, welches dem Gerät nach 3A stark ähnelt, allerdings eine Zweiwege-Kommunikationseinheit 31B enthält. Dieses Überwachungsgerät 30B kann als Mastergerät arbeiten. Seine Verarbeitungseinheit 33B ist außerdem in der Lage, Befehle an die Kommunikationseinheit 31B zum Senden an Slave-Geräte innerhalb des Systems zu liefern. Außerdem enthält diese Verarbeitungseinheit die notwendige Hardware und Software zum Definieren und Benutzen eines Zeitablaufschemas für die Kommunikation mit anderen Geräten. Darüber hinaus enthält die notwendige Logik, um freie Sendezeitschlitze für die Slave-Geräte nach der Registrierung der Geräte als Teilnehmer innerhalb des Kommunikationssystems zuzuweisen. Das Display 37B kann konfiguriert sein zum Anzeigen von Daten, die von einem oder mehreren Slave-Geräten empfangen werden, oder zum Anzeigen von daraus abgeleiteter Information.
Bei dem Mastergerät handelt es sich typischerweise um einen Tauchcomputer oder ein anderes Überwachungsgerät, welches von einem Taucher am Körper getragen oder gehalten wird, oder das in die Tauchhilfsausrüstung installiert ist. Typischerweise ist es mit einer Displayeinheit 37B ausgestattet, wohingegen die Sendeempfänger ohne Display sein können. Allerdings sei angemerkt, dass der eine der Sendeempfänger auch die Rolle eines Masters übernehmen und die Zeitschlitze für sich selbst und die übrigen Geräte zuweisen kann.
Wie oben erwähnt, lassen sich die erste und die zweite Vorgehensweise auch kombinieren, beispielsweise derart, dass die Einstellung basierend auf dem Inhalt und der Empfangszeit des Datenpakets erfolgt. Wenn es zum Beispiel zwei Gruppen von Geräten gibt, so zum Beispiel Gasdruck-Sensorgeräte und Orts-Sensorgeräte, so können die Geräte sich selbst in ihren Datenpaketen identifizieren, so dass andere Sendeempfänger den nächsten freien Zeitschlitz innerhalb einer Gerätegruppe belegen können. Dies ermöglicht es der ersten Gruppe, die ersten Zeitschlitze 1...N zu benutzen, während die zweite Gruppe die Zeitschlitze N + a...M belegt, ohne dass die Zeitschlitze zwischen den unterschiedlichen Typen von Geräten verschachtelt werden. Ist ein Mastergerät vorhanden, so kann dieses natürlich die Zuweisung in ähnlicher Weise vornehmen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Datenpakete mindestens Sendeempfänger-(oder Sensor-)Kennungsinformation und Sensorwertinformation. Jeder Sendeempfänger (oder Sensor) ist vorzugsweise mit einem einzigartigen ID-Kode ausgestattet, welcher in Hardware oder Software des Geräts implementiert ist. Basierend auf dieser ID, sind die übrigen Geräte innerhalb des Kommunikationssystems in der Lage, das Gerät zu identifizieren und dessen Sendevorgänge von anderen Sendevorgängen zu unterscheiden. Optional enthalten die Datenpakete auch Sensortypinformation, Sensorbatterie-Ladezustandsinformation und/oder Fehlerkorrekturinformation. Detaillierte Beispiele werden weiter unten angegeben.
Wie oben erläutert, kann das Zeitablaufschema, welches von den Sendeempfängern benutzt wird, einen für den Empfang eines Datenpakets anderer Unterwassergeräte reservierten Zeitschlitz aufweisen, der es ermöglicht, neue Geräte zu registrieren. Dieser Zeitschlitz sollte vorzugsweise nur für den Sendevorgang solcher Geräte verwendet werden, die ihr Sendeschema noch nicht mit den übrigen Geräten synchronisiert haben.
Um einen beispielhaften Prozess auf allgemein gültiger Ebene zu beschreiben, kann ein Sendeempfänger so konfiguriert sein, dass er – vorzugsweise unmittelbar nach seinem Einschalten

– nach Datenpakten übriger Geräte lauscht,
– bei Empfang eines Datenpakets eines vordefinierten ersten Typs (Mastertyps) das Zeitablaufschema entsprechend Befehlen einstellt, die in dem Datenpaket des ersten Typs enthalten sind,
– in Abwesenheit von Datenpaketen des vordefinierten ersten Typs und bei Empfang von Datenpaketen eines vordefinierten zweiten Typs (Äquivalent-Typs) in einem ersten Zeitschlitz, das Zeitablaufschema derart einstellt, dass das Senden eines Datenpakets in einem zweiten Zeitschlitz stattfindet, der von dem ersten Zeitschlitz verschieden ist, und
– den Sendevorgang entsprechend dem eingestellten Zeitablaufschema beginnt.

Der erste und der zweite Zeitschlitz, die oben angesprochen wurden, folgen vorzugsweise aufeinander, das heißt, es gibt zwischen ihnen keine Zeitschlitze. Der erste und der zweite Zeitschlitz sind außerdem derart beschaffen, dass es innerhalb des Zyklus von Zeitschlitzen keine freien Zeitschlitze vor ihnen gibt. Das heißt: das Sendezeitfenster ist von Anfang an bis zu der Stelle belegt, die für jeden Sendeempfänger zum Ermöglichen eines Sendevorgangs notwendig ist.
Bei einer Ausführungsform erfolgt die magnetoinduktive Kommunikation zwischen den Geräten bei einer relativ geringen Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz. Dieser Frequenzbereich eignet sich für die Unterwasserkommunikation und weist eine Reichweite von einigen Metern bei praktikablen Leistungspegeln auf. Der Nachteil der niedrigen Frequenz besteht darin, dass die Kanalbandbreite begrenzt ist. Damit ist auch die gesamte Datentransferkapazität des Mehrgerätenetzwerks beschränkt. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung jedoch wird die verfügbare Zeit effizient genutzt, und das Sensorwert-Aktualisierungsintervall kann auf einem vernünftigen Wert von beispielsweise 1 s bis 8 s gehalten werden.
Bei einer Ausführungsform macht das Kommunikationssystem keinen Gebrauch von der Frequenzumtastung. Das heißt, die Kommunikationseinheit ist dazu ausgebildet, die Datenpakete bei konstanter Frequenz zu senden und zu empfangen. Mit Hilfe der Erfindung können die Datenpakete und die Bits sämtlicher Sendeempfänger richtig in aufeinanderfolgender Konfiguration bei der gewählten konstanten Frequenz geordnet werden, wodurch das Horchen ebenfalls einfacher ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinheit eine Tauchgas-Drucksensoreinheit, und der Sensorwert ist ein Gasdruckwert (einschließlich jeglichen weiteren Werts proportional zu dem Gasdruck oder ein von dem Gasdruckwert abgeleiteter Wert). Ein derartiger Sensor befindet sich in einer Druckluftflasche eines Tauchers, und die Sendeempfangseinheit kann mit der Sensoreinheit integriert sein, um ein Sensor-Sendeempfangsgerät zu erhalten. Allerdings kann der Sensor seine Daten über ein Kabel oder drahtlos auch an einen separaten Sendeempfänger vermitteln, welcher seinerseits dem hier beschriebenen Kommunikationssystem beigetreten ist.
Alternative Sensortypen beinhalten Ortssensoren (der Sensorwert ist ein Ortswert), Näherungssensoren (der Sensorwert ist ein Abstandswert), Herzschlagsensoren (der Sensorwert ist ein Herzschlag oder ein Pulsfrequenzwert), Umgebungsdrucksensoren (der Sensorwert ist ein Umgebungsdruckwert oder ein Tiefenwert), und Geocache-Detektoren (der Sensorwert ist ein Geocache-Detektorsignal). Sämtliche Typen von Sensoren können Mitglied eines einzelnen, hier beschriebenen Kommunikationssystems sein.
Die Sendeempfangsgeräte enthalten vorzugsweise eine Speichereinheit mit einem Speicherplatz zum Speichern von drahtlos rekonfigurierbaren Betriebseinstellungen, so zum Beispiel von Zeitablaufschema-Information, Kennungsinformation oder Kommunikationsprotokoll-Information. Das Rekonfigurieren dieser Parameter erfolgt über ein Mastergerät, insbesondere einen Computer und/oder einen Tauchcomputer, der mit dem Sendeempfangsgerät gekoppelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das vorliegende Unterwasser-Kommunikationssystem mindestens zwei Sendeempfänger der oben beschriebenen Art, wie sie weiter unten näher erläutert wird. Zusätzlich zu den Sendeempfängern gibt es ein Überwachungsgerät mit einer Einrichtung zum Horchen nach Datenpaketen der Sendeempfänger während einer Lauschperiode.
Die Lauschperiode wird so eingerichtet, dass sie die gesamte Dauer eines vorab konfigurierten Zeitablaufschemas abdeckt, welches von den Sendeempfängern oder einem Teil von diesen verwendet wird. Wenn beispielsweise eine geringere Anzahl von Sendeempfängern dem System beigetreten ist, als es der maximalen Anzahl von Sendeempfängern entspricht, so kann die Lauschperiode so eingerichtet werden, dass nur der belegte Teil des Schemas abgedeckt ist, wodurch Energie eingespart wird. Das heißt, der Monitor kann dazu ausgebildet sein, zwischen Lauschperioden einen Ruhezustand einzunehmen, in welchem er weniger Energie verbraucht als während der Lauschperioden. Auf Wunsch kann das Überwachungsgerät auch gelegentlich das gesamte Schema abhorchen, um zu erfahren, ob es weitere Geräte (potentielle neue Mitglieder) innerhalb der Reichweite gibt.
In der bevorzugten Ausführungsform enthalten die Zeitablaufschemata der Sendeempfänger jeweils eine begrenzte gleich große Anzahl von Sendezeitschlitzen, und die Sendeempfänger sind so angeordnet, dass sie ihre zeitlichen Sendeschemata in der Weise einstellen, dass sie aufeinanderfolgende Sendezeitschlitze belegen. In dem Überwachungsgerät ist die Einrichtung zum Lauschen nach Datenpaketen dazu ausgebildet, nach den Datenpakten sämtlicher belegter Sendezeitschlitze während einer Lauschperiode zu lauschen. Das Lauschen während dieser Periode kann in einem Durchgang oder ein geeigneten Perioden erfolgen, beispielsweise entsprechend der Länge der Datenpakete. In einer Ausführungsform ist das Überwachungsgerät dazu ausgebildet, einen Niederenergiezustand zwischen den Perioden einzunehmen, um während der Perioden zum Lauschen aufgeweckt zu werden.
Bei einer Ausführungsform ist das Überwachungsgerät nicht in der Lage, an die Sendeempfänger zu senden. Damit ist der Monitor ausschließlich ein Lauscher. Diese Ausführungsform gestattet einen äußerst geringen Energieverbrauch durch das Überwachungsgerät. Diese Ausführungsform ist vorzugsweise kombiniert mit dem ersten Einstell-Verfahren für die Sendeempfänger, welches oben erläutert wurde. Bei diesem Verfahren sind die Sendeempfänger in der Lage, eine Selbsteinstellung ihrer Zeitablaufschemata basierend auf Datenpakten vorzunehmen, die voneinander empfangen werden, so dass kein Bedarf an einem Mastergerät besteht.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Überwachungsgerät im Stande, sowohl nach Daten von Sendeempfängern zu lauschen als auch Daten an diese zu senden. Diese Ausführungsform ist vorzugsweise kombiniert mit der zweiten Einstell-Vorgehensweise für die Sendeempfänger, die oben erläutert wurde. Bei dieser Vorgehensweise ist das Überwachungsgerät ein Mastergerät und liefert als Datenpakete Zeitsteuerbefehle und möglicherweise auch weitere Befehle an die Sendeempfänger, nachdem diese erst einmal ihre Präsenz dem Mastergerät angekündigt haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Überwachungsgerät ein Handgelenk Tauchcomputer, der am Handgelenk eines Tauchers getragen wird. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Überwachungsgerät eine Tauchmaske. Beide Geräte können integrierte Displayeinheiten zum Anzeigen der Sensordaten von den Sendeempfängern aufweisen. Außerdem können sie eine Benutzerschnittstelle haben, die es ermöglicht, dass der Benutzer Befehle an das Überwachungsgerät und/oder die Sendeempfänger absetzt.
Die Synchronisation der Sendeempfänger, das heißt ihre sich wiederholenden Zeitablaufschemata können dadurch vorgenommen werden, dass für jedes Zeitablaufschema eine begrenzte Anzahl von für einen Sendevorgang zugelassenen Zeitschlitzen vorab konfiguriert wird. Um die Zeitschlitze unter den Geräten gemeinsam zu benutzen, umfasst das Verfahren gemäß einer Ausführungsform (ohne Master) folgende Schritte:

– Einschalten der Sendeempfänger,
– Senden eines Signals von mindestens einem ersten Sendeempfänger als Datenpaket gemäß dem Zeitablaufschema des ersten Sendeempfängers,
– Empfangen des Datenpakets in einem zweiten Sendeempfänger,
– Synchronisieren des Zeitablaufschemas des zweiten Sendeempfängers mit dem Zeitablaufschema des ersten Sendeempfängers basierend auf der Empfangszeit des Datenpakets von dem ersten Sendeempfänger, derart, dass der erste und der zweite Sendeempfänger aufeinanderfolgende Zeitschlitze zum Senden der Datenpakete verwenden,
– Senden von Sensordaten, die Signale von dem ersten und dem zweiten Sendeempfänger enthalten, gemäß dem ersten bzw. dem zweiten Zeitablaufschema.

In einer weiteren Ausführungsform (mit Master), umfasst das Verfahren folgende Schritte:

– Einschalten der Sendeempfänger,
– Senden eines Präsenzsignals als Datenpaket von mindestens einem ersten und einem zweiten Sendeempfänger,
– Empfangen der Präsenzsignale in einem Mastergerät,
– Zuordnen eines individuellen Zeitsteuer-Zeitschlitzes für den ersten und den zweiten Sendeempfänger innerhalb des Mastergeräts,
– Senden eines Zeitablaufschema-Einstellbefehls speziell für mindestens den ersten oder den zweiten Sendeempfänger, umfassend Information bezüglich des zugewiesenen Zeitschlitzes zu dem ersten und dem zweiten Sendeempfänger,
– Einstellen des Zeitablaufschemas in mindestens einem von dem ersten und dem zweiten Sendeempfänger basierend auf dem Zeitablaufschema-Einstellbefehl,
– Senden von Sensordaten, die Signale enthalten, von dem ersten und dem zweiten Sendeempfänger nach Maßgabe ihrer individuellen Zeitablaufschemata.

In einer typischen weiteren Ausführungsform empfängt das Überwachungsgerät die Signale enthaltenden Sensordaten und bringt optional diese Daten auf einem Display zur Anzeige.
Vorzugsweise werden die Signale enthaltende Sensordaten in einem Empfänger empfangen, beispielsweise in einer Überwachungseinheit (die optional auch als Mastereinheit fungieren kann), und zwar in Form eines einzelnen Datenstroms, gebildet aus Datenpaketen des ersten und des zweiten Sendeempfängers in den genannten aufeinanderfolgenden Zeitschlitzen.
6 gibt einen ersten Überblick über das Verfahren in Form eines Blockdiagramms der adaptiven Betriebsweise gemäß der einen Ausführungsform. Im ersten Schritt, der Phase 61, wird der erste Sendeempfänger eingeschaltet. In der nächsten Phase 62 startet dieser damit, nach Netzwerkaktivität innerhalb seiner Reichweite zu laufen. Wenn er eine Nachricht von einem Mastergerät in der Phase 63 aufnimmt, macht er damit weiter, eine Präsenznachricht in der Phase 64A abzusetzen. Der Master greift die Präsenznachricht auf und bestimmt einen freien Sendezeitschlitz für den ersten Sendeempfänger. Die Schlitzinformation wird an den ersten Sendeempfänger als Synchronisationsbefehl in der Phase 64B gesendet und von ihm empfangen. Im Anschluss an den Befehl stellt der erste Sendeempfänger sein Sendeschema gemäß dem Befehl in der Phase 64C ein und macht weiter mit regulären Sendevorgängen unter Verwendung des neu empfangenen Zeitschlitzes, das heißt, es folgt die Phase 67.
Wenn der erste Sendeempfänger keinen Master findet, jedoch einen aktiven (bereits sendenden) zweiten Sendeempfänger in der Phase 65 findet, indem er eine Nachricht von diesem zweiten Sendeempfänger empfängt, nimmt er den Empfangszeitpunkt dieser Nachricht ebenso wie den Sendezeitschlitz der Nachricht in der Phase 66A auf und synchronisiert sich selbst basierend auf diesen Daten durch Einstellen seines Sendeschemas, Phase 66B. Möglicherweise ist auch ein weiterer Sendeempfänger vorhanden, der aufgefunden wird, und dessen/deren reservierte Zeitschlitze werden auf ähnliche Weise berücksichtigt. Anschließend geht der erste Sendeempfänger in die Phase 67, das heißt zu den regulären Sendevorgängen unter Verwendung des neuen, selbst eingerichteten Zeitschlitzen.
Wenn der erste Sendeempfänger keinerlei Netzwerkaktivität während seiner vorab definierten Lauschperiode nachweist, kann er mit der regulären Sendephase 67 unter Verwendung seines Standard-Sendeschemas fortfahren.
In der regulären Sendephase 67 prüft das Gerät regelmäßig, ob vorab definierte Kriterien zum Erzeugen eines Ultraschallsignals, zum Beispiel basierend auf den Sensordaten, erfüllt sind, oder ob ein Mastergerät in dem System einen Kommunikationsbefehl sendet. In jedem Fall erzeugt das Gerät ein Ultraschallsignal mit seinem Ultraschallsender.
Im folgenden werden die Master-Slave-Hierarchie und die Äquivalentgerät-Hierarchie in größerer Einzelheit erläutert.
Master-Slave-Netzwerkhierarchie
Geräte in dem Netzwerk gehören zu zwei Kategorieren: Master und Sensoren, von denen die Sensoren hier die Slave-Sensorempfänger sind. Jedes Gerät besitzt eine Rundfunkadresse (zum Beispiel 6 Bits lang), die zu Beginn eine Standardadresse oder nicht-zugewiesene Adresse ist. Ein Master steuert das Netzwerk, definiert seine eigene Zeitsteuerung, verleiht Geräten deren Identität und löst Konflikte auf. Sensoren sind einfachere Geräte, die typischerweise weniger Energie zur Verfügung haben. Sie senden typischerweise Messdaten an den Master zwecks Anzeige für den Benutzer. Ein Sensor kann auch Daten von dem Master empfangen und außerdem Zeitsteuerbefehle entgegennehmen, auch kann er als Steuerung, Aktuator oder Anzeige in einigen Ausführungsformen fungieren.
In dem typischen Verwendungsfall von Einzelfrequenzsystemen gehören sämtliche Geräte innerhalb der Reichweite des Drahtlos-Netzwerks im Idealfall zu ein und demselben Netzwerk. Es kann vorkommen, dass zwei oder mehr separate Netzwerke einander stark annähern. Diese separaten Netzwerke besitzen jeweils einen Master mit einem oder mehreren Sensoren. Befinden sie sich in großer Nähe zueinander, so kann es zu gegenseitigen Störungen kommen. Sensoren und Master verschiedener Netzwerke haben wahrscheinlich einander überlappende Adressen, so dass möglicherweise die Nachrichten und Befehle verwechselt werden. Höchstwahrscheinlich sind sie auch zeitlich nicht synchronisiert. Der Master sollte dies erkennen und die Netzwerke synchronisieren und sie miteinander kombinieren. Das synchronisierte Netzwerk kann dann zwei oder mehr Master enthalten.
Jeder Master kann nach irgendeinem Sensor lauschen und auch an diesen senden. Allerdings gehorchen typischerweise Sensoren nur Befehlen von ihrem eigenen Master. Einer der Master in einem kombinierten Netzwerk ist als Seniormaster bestimmt, der die Netzwerksynchronisation vorgibt. Master und Sensoren können identische Datenpaket-Formate haben, allerdings unterscheiden sie sich durch den Dateninhalt, im einfachsten Fall durch ein IAM-Bit. Sämtliche Geräte haben außerdem eine einzigartige Kennung mit fixer Bitlänge (zum Beispiel 32 Bits), zugeordnet durch die Hardware. Der Seniormaster kann beispielsweise die kleinste Kennung (beispielsweise die einzigartige ID) haben, wenn diese in eine Zahl umgewandelt wird.
Zeitschlitzmechanismus
Als nächstes wird der bevorzugte Zeitablaufschema-Mechanismus anhand der 4 erläutert.
Bei diesem Beispiel wird ein Referenz-Zeitrahmen mit einer Länge von 1 Sekunde verwendet. Die Länge kann in der Praxis zum Beispiel 0,1–10 Sekunden betragen, was natürlich eine Skalierung der übrigen Zeitparameter mit sich bringt, die im folgenden eingeführt werden. Der Zeitrahmen ist in 20 Zeitschlitze von jeweils einer Länge von 50 ms unterteilt. Ein Master sendet ausschließlich in den Schlitzen M0, M1 oder M2. Sensoren senden ausschließlich in Schlitzen 0...15. Außerdem gibt es einen Rundfunkschlitz (BC), in welchem neue Sensoren dem Master ihre Präsenz mitteilen können. Der Master stellt den Zeitrahmen für seine Sendevorgänge ein. Sensoren horchen und synchronisieren sich damit.
Die Dauer des Sendevorgangs für ein Paket beträgt 8–30 ms, das heißt weniger als die Länge des Zeitschlitzes, abhängig von der Paketlänge (0 bis 24 Bytes Nutzdaten). Das Senden beginnt mit dem Beginn eines Zeitschlitzes und endet, wenn das vollständige Paket gesendet wurde.
Die Empfangsperiode beginnt etwas vor dem Beginn des Zeitschlitzes, um etwas Jitter zwischen der Geräte-Zeitsynchronisation zu ermöglichen. Um Energie einzusparen, kann der Zeitaufwand für das Vorab-Lauschen adaptiv sein und lässt sich dynamisch reduzieren, falls nachgewiesen wird, dass Sendevorgänge ständig zur korrekten Zeit ankommen. Die Vorab-Lauschzeit kann irgendwo zwischen 1 und 30 ms liegen. Der Empfang sollte enden, wenn ein vollständiges Paket empfangen ist, spätestens 50 ms nach Beginn des Sendezeitschlitzes, wenn nicht der Empfänger in einem kontinuierlichen Empfangsmodus arbeitet, um sämtliche Sendevorgänge von nicht synchronisierten Geräten aufzufangen.
In einer Ausführungsform bestimmen die vier geringstwertigen Bits einer Sensoradresse den zu verwendenden Sendezeitschlitz. Diese Bits sollten irgendeinen Wert von 0 bis 15 haben, was direkt zu der Schlitz-Kennung passt, in der sie senden dürfen.
Verschachtelter Betrieb
Wie man sieht, gibt es 64 zulässige Sensoradressen und nur 16 Zeitschlitze in dem oben beschriebenen Beispiel, so dass vier Sensoren möglicherweise innerhalb desselben Zeitschlitzes senden. Ein Verschachtelungssystem, welches mehrere Sensoren innerhalb desselben Zeitschlitzes ohne Risiko von Störungen unterstützt, wird im folgenden beschrieben.
Verschachtelung bedeutet eine Verringerung der Sendegeschwindigkeit eines Sensors und ein Abwechseln zwischen verschiedenen Sensoren innerhalb eines Zeitschlitzes. In unserem Beispiel können die 64 möglichen Sensoren gleichzeitig aktiv sein, wenn jeder von ihnen nur einmal pro vier Sekunden oder noch seltener sendet.
5 veranschaulicht den verschachtelten Betrieb für Sendeintervalle von 2, 4 und 8 Sekunden. Der Verschachtelungsbetrieb wird von dem Master aktiviert, indem dieser an die Sensoren Zeitablaufschema-Einstellbefehle sendet. Der Master selbst sendet oder empfängt, wenn erwartet wird, dass ein Sensor empfängt bzw. sendet. Damit werden die Verschachtelungsbits des Masters nicht verwendet. Allerdings sendet der Master ein Verschachtelungs-Synchronisationsbit. Dieses „Sync-Bit” bedeutet, wenn es in einer von dem Master gesendeten Nachricht auf 1 gesetzt ist, dass die laufende 1-Sekunden-Periode der Zeitschlitze die erste von 8 Perioden innerhalb des Verschachtelungs-Rahmens ist. Diese Verschachtelungsperioden sind mit P0, P1, P2, ...P7 bezeichnet. Wenn der Master sonst nichts zu senden hat, kann er ein Zeit-Synchronisationspaket senden. Es wird empfohlen, dass der Master mindestens ein Datenpaket in jeder Verschachtelungsperiode 0 sendet.
Verschachtelung ist möglich, wenn die Senderate (TX-Rate) auf ein Intervall von 2 s, 4 s oder 8 s eingestellt ist. Wenn die Senderate auf ein 2 s-Intervall eingestellt ist, kann der Verschachtelungsparameter, wie er von dem Sensor gesendet wird, 0 oder 1 sein. Ist er 0, so sendet der Sensor bei P0, P2, P4 und P6. Ist er 1, so sendet der Sensor bei P1, P3, P5 und P7.
Bei einem TX-Intervall von 4 s oder 8 s kann der Verschachtelungsparameter von 0 bis 3 reichen. Dann sendet der Sensor in der jeweiligen Periode P0 bis P3, bei einem 4s-TX-Intervall auch bei P5 bis P7.
Die Verschachtelung hat auch Einfluss auf den Empfänger des Sensors. Ist die Empfangsrate (RX-Rate) 1 (gleich der TX-Rate), so empfängt der Sensor dieselbe Verschachtelungsperiode, mit der er auch sendet. Wenn die RX-Rate langsamer als die TX-Rate ist, so empfängt der Sensor in den gleichen Verschachtelungsperioden, in denen er auch sendet, allerdings nur jede zweite Sekunde und jedes vierte Mal. Um anzugeben, wann der Sensor empfängt, setzt dieser das Verschachtelungs-Sync-Bit auf 1 bei einer normal geplanten Sendung vor der Verschachtelungsperiode, in welcher er nach ankommenden Daten lauscht.
Datenpaket-Format
7 veranschaulicht ein beispielhaftes allgemeines Datenpaket-Format, welches in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist, und welches eine Vielfalt der beschriebenen Funktionen, Einstellungen und Justierungen ermöglicht. Wie der Fachmann erkennt, lassen sich das Format und insbesondere die Bitlängen auf andere Weise ausgestalten und auswählen.
Zeitsynchronisation
Der Master bestimmt die Netzwerk-Zeitsteuerung. Wenn der Master gestartet wird, beginnt der Netzwerktakt. Wenn allerdings ein Sensor gestartet wird, ist er zu Beginn zeitlich unsynchronisiert mit dem Netzwerk. Es gibt zwei Wege, auf denen der Sensor die Synchronisierung erreichen kann. Der eine Weg besteht darin, dass er mit dem Senden beginnt und darauf wartet, dass ein Master diesen Sendevorgang aufnimmt und einen Synchronisationsbefehl absetzt. Dieser Sendevorgang kann mehr oder weniger häufig stattfinden, mit Unterbrechungen und in passender Weise angepasst mit einer geeigneten Energieeinspar-Strategie. Der andere Weg besteht darin, dass der Sensor auf eine andere Netzwerkaktivität achtet. Wenn er einen anderen Sensor oder einen Master erkennt, ist er unmittelbar anschließend in der Lage, sich selbst zu synchronisieren, basierend auf der Empfangszeit und möglicherweise der Adresse des Senders des empfangenen Pakets. Anschließend kann er damit beginnen, Sensordaten oder HELLO-Nachrichten abzusetzen, um die Aufmerksamkeit von einem Master zu erregen. Letzterer Weg muss in Netzwerken ohne Master eingesetzt werden, wie weiter unten näher erläutert werden wird.
Äquivalentgerät-Hierarchie
Die vorliegende Technologie unterstützt den Betrieb ohne Master, das heißt es ist eine Äquivalentgerät-Hierarchie. Der größte Teil der Mechanismen und Arbeitsprinzipien, die oben in Verbindung mit der Master-Slave-Hierarchie erläutert wurden, gelten auch für die Äquivalentgerät-Hierarchie, entweder unverändert oder in modifizierter Form. Beispielsweise sind die relevanten Teile des Zeitschlitz-Mechanismus, des Datenpaket-Formats und der dynamischen Adressenzuweisung unverändert anwendbar. In dieser Betriebsweise gibt es allerdings einige ungenutzte Zeitschlitze und Datenfelder. Allerdings werden diese sofort notwendig, wenn ein Master dem System beitritt und die übrigen Geräte steuert. Wenn das System so ausgelegt ist, dass es nur in dem Äquivalentgerät-Modus arbeitet, können diese Zeitschlitze und Datenfelder aus den Softwarekonfigurationen der Geräte entfernt werden. Es ist in hohem Maße geeignet, einen verschachtelten Betrieb in der Master-Slave-Hierarchie zu implementieren, allerdings ist die Verschachtelung in der Äquivalentgerät-Hierarchie nicht unmöglich und folglich nicht ausgeschlossen.
Der größte Unterschied besteht in der Zeit-Synchronisation. Bei dieser Ausführungsform ist es erforderlich, dass Sensoren ohne einen Master senden. Sie könnten beispielsweise eine gewisse Zeitspanne nach dem Hochfahren ausschließlich zum Lauschen verwenden, möglicherweise beginnen sie aber mit dem Sendevorgang mehr oder weniger regelmäßig, bis sie heruntergefahren werden. In einer bevorzugten Ausführungsform lauschen die Sensoren während der Lauschzeitspanne nach dem Einschalten untereinander auf Datenpakete und Synchronisieren ihrer Zeitablaufschemata temporär, indem sie den nächsten freien Zeitschlitz als ihren Sendeschlitz verwenden. Auf diese Weise führen sämtliche Sensoren in dem Bereich zu anderen Sensoren eine Standardsynchronisation für sich selbst durch und senden gleichzeitig in ihren individuellen Rundfunk-Zeitschlitzen, bis ein Master ihnen anderes befiehlt. Damit wird ein Signal von nur einem Sensor zu jeweils einer Zeit von einer Überwachungseinrichtung empfangen.
Ein ausschließlich lauschendes Überwachungsgerät kann daher in robuster Weise die Sendevorgänge sämtlicher Sensoren aufnehmen. Diese Art von Überwachungsgerät kann kleiner bauen und weniger Spitzenstrom aufnehmen als ein reguläres Gerät mit Sendefähigkeit, es lässt sich folglich als kleines am Handgelenk getragenes Instrument implementieren, welches mit einer münzgroßen Batterie gespeist wird.
Die Betriebsweise des Sendeempfängers, das heißt des hier beschriebenen Geräts, kann beispielsweise eingenommen werden durch eine Vorab-Programmierung auf dem Wege der benutzerseitigen Auswahl über eine Benutzerschnittstelle des Geräts oder durch ein Time-Out aus einer anderen (fehlgeschlagenen) Betriebsweise. Beispielsweise kann ein Gerät als Standardmodus den Master-Slave-Modus aufweisen, bei Fehlen eines Masters während einer vorab definierten Periode jedoch entscheiden, in den selbst organisierenden Modus überzugehen.
Beispiel-Spezifikationen des Systems
In einer typischen Konfiguration besitzen die Sendeempfänger ein häufiges Sendeintervall von 6–120 Nachrichten pro Minute (0,1–2 Nachrichten pro Sekunde), was durch ihre Zeitablaufschemata bestimmt wird. Sie können zum Beispiel vorkonfiguriert sein für 10–40 Zeitschlitze pro Sekunde.
In einer beispielhaften Konfiguration gibt es 20 Schlitze insgesamt pro Sekunde, von denen 16 Schlitze für Sensor-Sendevorgänge, drei Schlitze für Master-Sendevorgänge und ein Rundfunkschlitz für neue, sich selbst ankündigende Sensoren verwendet werden. Bei einem nicht-verschachtelten Betrieb gibt es 16 gleichzeitige Sensoren bei einer Aktualisierungsrate von 1/1 s, 32 gleichzeitige Sensoren bei einer Aktualisierungsrate von 1/2 s, 64 gleichzeitige Sensoren bei einer Aktualisierungsrate von 1/4 s oder langsamer, und 128 gleichzeitige Sensoren bei einer Aktualisierungsrate von 1/8 s oder weniger. Die Anzahl der gleichzeitigen Sensoren lässt sich auch begrenzen durch die Anzahl der Sensoradressen. Bei einem beispielhaften dynamischen Adressierschema gibt es 64 Sensoradressen und 8 Masteradressen mit automatischer Zuordnung. Darüber hinaus besitzt jedes Gerät eine einmalige Kennung (zum Beispiel ein 32-Bit-ID). Vorzugsweise gibt es auch einen Adressen- und/oder Zeitsteuerkonflikt-Nachweis sowie einen Auflösungsmechanismus, der in das System eingebaut ist.
Beispiele für Ferngeräte und Sensoren des Systems
Im folgenden werden mögliche Geräte, die die Vorteile der Erfindung nutzen können, in Form von beispielhaften Tauchbetrieb-Sensoreinheiten im Sinne der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei diese Einheiten an die vorliegenden Sendeempfänger angeschlossen oder in diese integriert werden können, außerdem werden Parameter erläutert, die in den Datenpaketen gemäß der Erfindung übermittelt werden können. Der Ultraschall- oder anderweitig akustische Sender lässt sich auch in irgendeines dieser Geräte so integrieren, dass er auf den Geräte-Sensorwert reagiert, ebenso wie auf einen Sensorwert von einem anderen Ferngerät oder auf einen Befehl von einem Mastergerät. Wenn auch nicht speziell erwähnt, so kann jeder Sensor doch einen Vorsatz mit allgemeiner Information über den Sensor oder das Gerät übermitteln, so zum Beispiel in Form einer Adresse, einer Batterieladung oder eines Status oder von Fehler-Flags. Die Geräte können separat von anderen Geräten ausgebildet oder in andere Geräte integriert sein, so dass sie innerhalb eines einzelnen Geräts „Dienste” wahrnehmen. Beispielsweise kann ein Drucksensorgerät einen integrierten Batteriespannungssensor aufweisen, dessen Werte in der gleichen Nachricht kommuniziert werden. Natürlich können die Werte auch in verschiedenen Nachrichten über eine einzige Einheit oder über separate Kommunikationseinheiten übermittelt werden.
Gemäß der einen oben diskutierten Ausführungsform ist das Ferngerät 1 ein Flaschendrucksensor, der den in einem Behälter, beispielsweise einer Gasflasche, herrschenden Gasdruck messen und übermitteln kann.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät ein Kreislauftauchgerät, welches in der Lage ist, einen oder mehrere Sauerstoffpartialdrücke zu messen und zu übermitteln.
Bei einer Ausführungsform ist das Kreislauftauchgerät eine Tauchgerät-Steuereinheit, die in der Lage ist, einen Arbeitspunkt für ein Kreislauftauchgerät einzustellen und zu übermitteln. Der Arbeitspunkt kann nur übermittelt werden, wenn er von einem Benutzer zurückgesetzt wurde. (Ein Steuergerät wie dieses wird ebenfalls als Sensor betrachtet, da es seinen eigenen relevanten Wert kennen muss).
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät eine Anzeigeeinheit, beispielsweise eine HUD-Maske. Eine solche Maske kann einen oder mehrere der folgenden Parameter direkt messen oder von anderen Geräten empfangen und übermitteln: Flaschendruck, Tiefe, Tauchzeit, Nullzeiten, Zeit zur Oberfläche, Ceiling, Sicherheitsstop-Countdown, Auftauchgeschwindigkeit, Sauerstoffpartialdruck, Richtung, Kompassrichtung oder Herzfrequenz.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät eine Fern-Steuereinheit, die in der Lage ist, eine Fernsteuernachricht zu erzeugen und zu übermitteln.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät eine Unterwasser-Navigations- oder -Ortungseinheit, die in der Lage ist, eine oder mehrere der folgenden Größen zu messen und zu übermitteln: Richtung, Kompassrichtung, Breitengrad, Längengrad, Tiefe, tatsächlicher Restweg zu einem Wegepunkt oder einem Ziel, verbleibende Vertikaldistanz zu einem Wegepunkt oder einem Ziel, Geschwindigkeit.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Ferngerät eine Kommunikationseinheit, die in der Lage ist, eine Nachricht oder eine Nachrichten-ID zu erzeugen und zu übermitteln.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät eine Batteriestatus-Überwachungseinheit, die eine Batteriespannung und/oder einen Batteriestatus messen und übermitteln kann.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät eine Näherungssensoreinheit, die einen Abstand zu einem Ziel messen und übermitteln kann.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät ein Herzfrequenzsensor, der eine Herzfrequenz messen und übermitteln kann.
Bei einer Ausführungsform ist das Ferngerät ein Geocache-Zielgerät, welches eine Geocache-Findereinheit oder das Vorhandensein eines Tauchers nachweisen kann, oder eine Geocache-Findereinheit, die eine Geocache-Zieleinheit nachweisen kann.

Claims

Unterwasser-Kommunikationssystem, umfassend: mindestens ein Unterwasser-Ferngerät (14A–14C) mit einer Verarbeitungseinheit (23), wobei an die Verarbeitungseinheit funktionell eine erste magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung (25) angeschlossen ist, die in der Lage ist, mittels magnetischer Induktion mit anderen Unterwassergeräten zu kommunizieren, ein am Körper tragbares Unterwasser-Überwachungsgerät (10) mit einer zweiten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung, die in der Lage ist, mit dem Ferngerät über Magnetoinduktion zu kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferngerät (14A–14C) weiterhin eine funktionell an die Verarbeitungseinheit (23) angeschlossene Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) aufweist, die in der Lage ist, akustische Signale zu senden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (23) des Ferngeräts (14A–14C) dazu ausgebildet ist, mittels der Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) ansprechend auf ein mit Hilfe der ersten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung (25) empfangenes vordefiniertes Signal ein Akustiksignal zu erzeugen.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasser-Ferngerät (14A–14C) an einer Taucherweste, einem Drucklufttauchgerät oder der Druckluftflasche eines Tauchers befestigt oder befestigbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferngerät (14A–14C) einen Atemgas-Drucksensor aufweist, welcher funktionell an die Verarbeitungseinheit (23) angeschlossen ist, die ihrerseits dazu ausgebildet ist, Druckdaten oder vom Druck abgeleitete Daten, die von dem Gasdrucksensor geliefert werden, mit Hilfe der ersten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung (25) und/oder der Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) zu kommunizieren.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferngerät (14A–14C) einen Ortssensor aufweist, der funktionell an die Verarbeitungseinheit (23) angeschlossen ist, die ihrerseits dazu ausgebildet ist, Ortsdaten oder davon abgeleitete Daten, die von dem Ortssensor geliefert werden, mit Hilfe der ersten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung (25) und/oder der Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) zu kommunizieren.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung einen maximalen magnetoinduktiven Kommunikationsbereich aufweist und die Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) einen maximalen Akustik-Kommunikationsbereich aufweist, der mindestens zweimal, vorzugsweise mindestens zehnmal größer ist als der maximale magnetoinduktive Kommunikationsbereich.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (23) des Ferngeräts (14A–14C) dazu ausgebildet ist, Sensordaten von einem darin enthaltenen oder damit verbundenen Sensor zu empfangen, und das Senden eines akustischen Signals mittels der Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) zu veranlassen, falls die Sensordaten vorbestimmte Kriterien erfüllen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsgerät (10) dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der zweiten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung (25) akustische Kommunikationsbefehle an das Ferngerät (14A–14C) zu senden, und das Ferngerät (14A–14C) dazu ausgebildet ist, die akustischen Kommunikationsbefehle von dem Überwachungsgerät (10) mit Hilfe der ersten magnetoinduktiven Kommunikationseinrichtung (25) zu empfangen und das Senden eines Akustiksignals unter Verwendung der Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) bei Empfang eines solchen Kommunikationsbefehls anzuweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das am Körper tragbare Überwachungsgerät (10) ein Armband Tauchcomputer oder eine Tauchmaske ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das am Körper tragbare Überwachungsgerät (10) ohne Akustik-Kommunikationseinrichtung ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung (25) für eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Ferngerät (14A–14C) und anderen Unterwasser-Ferngeräten ausgelegt ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung für eine unidirektionale Kommunikation von dem Ferngerät (14A–14C) zu dem Überwachungsgerät (10) oder für eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Ferngerät und dem Überwachungsgerät ausgelegt sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) zusätzlich in der Lage ist, Akustiksignale zu empfangen und in den Akustiksignalen enthaltene Daten zu der Verarbeitungseinheit (23) zu übermitteln.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferngerät (14A–14C) konfiguriert ist zum Senden von Alarmsignalen als die akustischen Signale, wobei die Alarmsignale Alarmdaten wie zum Beispiel Gasdruck-Alarmdaten, Tiefen-Alarmdaten oder Orts-Alarmdaten umfassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ferngerät (14A–14C) in der Lage ist, seine magnetoinduktive Kommunikationseinrichtung (25) mit anderen, ähnlichen Ferngeräten in dem System zu synchronisieren, um gleichzeitiges Senden von magnetoinduktiven Signalen durch die Ferngeräte zu vermeiden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Akustik-Kommunikationseinrichtung (28) dazu ausgebildet ist, Ultraschallsignale zu senden.
Verfahren zum Kommunizieren in Unterwasserumgebungen zwischen mindestens einem Überwachungsgerät (10), mindestens einem Ferngerät (14A–14C), welches dazu ausgebildet ist, Daten für das Überwachungsgerät (10) bereitzustellen, und mindestens einem externen Empfänger (16), wobei das Überwachungsgerät (10) und das Ferngerät zur Ausrüstung eines einzelnen Tauchers gehören und der externe Empfänger (16) sich außerhalb dieser Ausrüstung befindet, und wobei das tragbare Überwachungsgerät (10) und das Ferngerät (14A–14C) mittels magnetischer Induktion kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ferngerät (14A–14C) und dem externen Empfänger (16) akustischer Wellen kommuniziert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch das Einleiten der akustischen Kommunikation zwischen dem Ferngerät (14A–14C) und dem externen Empfänger (16) durch magnetoinduktive Kommunikation zwischen dem Ferngerät und einem anderen Unterwassergerät oder durch einen in dem Ferngerät enthaltenen Sensor.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch das Einleiten der akustischen Kommunikation zwischen dem Ferngerät (14A–14C) und dem externen Empfänger (16) durch magnetoinduktive Kommunikation von dem Überwachungsgerät (10) zu dem Ferngerät.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsgerät (10) ein Personal Tauchmonitor ist, beispielsweise ein am Körper tragbarer Tauchcomputer, insbesondere ein Armband Tauchcomputer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Ferngerät (14A–14C) ein Atemgas-Drucksensor ist.