CN103700240A - 一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输系统及方法。该系统主要由包括探测端、中继端、信息处理中心端，提出水下水声通信和水上无线电通信方式联合进行数据传输的方案，将测量传感器数据通过探测端的数据前置处理与控制接口模块进行打包，通过水声通信MODEM完成信息编码、调制、发射、接收，在测量端与中继端之间进行数据交换，在中继端实现水声通信MODEM与射频通信模块的数据交换，最后将传感器数据经射频无线电通信传输到信息处理中心端进行统一分析处理，实现了水文测量信息的远程监测与测量设备的远程控制。

Description

一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输系统及方法

技术领域

本发明属于水声技术及通信技术领域，特别涉及基于水声通信与射频通信实现信息远程传输的无线传输系统。

背景技术

随着各种水下测量传感器技术的发展，实现水文环境信息的测量的难题已经基本解决。但是在混浊浅水水域实现水文测量信息的远程传输却十分困难，尤其是在行船较多的航道上。传统的采用水下电缆连接实现水下信息传输的方法，存在高流速条件下的水下复杂工程环境电缆连接的安全性问题、远程传输过程中的成本问题、航道行船的损坏问题和观测站点选择的灵活性问题等。因此，开发一种无线传输系统，实现混浊浅水水文测量信息用无线传输代替有缆水下数据传输，具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，结合水声通信与无线电通信提出了一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输系统及方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输系统，包括探测端、中继端、信息处理中心端，其中，探测端包括测量传感器、数据前置处理与控制接口模块和水声通信MODEM-A，中继端包括射频通信模块A和水声通信MODEM-B,信息处理中心端包括射频通信模块B和显示控制平台；数据上行过程中，测量传感器数据在数据前置处理与控制接口模块中完成数据打包，由水声通信MODEM-A编码调制后通过水声信道将数据传给中继端的水声通信MODEM-B，在中继端完成信息出水并通过射频通信模块A将数据传给信息处理中心端的射频通信模块B，射频通信模块B将数据传送给信息处理中心端的显示控制平台完成数据处理、存储、显示和监控；数据下行过程中，信息处理中心发送指令，通过信息处理中心端的射频通信模块B将数据传输给中继端的射频通信模块A，射频通信模块A再通过RS232串口将数据传输至水声通信MODEM-B，实现信息入水，然后水声通信MODEM-B通过水声信道将信息传输给探测端的水声通信MODEM-A，水声通信MODEM-A通过RS232串口将数据传给数据前置处理与控制接口模块完成数据打包，数据前置处理与控制接口模块通过RS485串口访问或控制测量传感器。

一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输方法，具体包括系统初始化过程和水文信息测量、传输、显示过程，其中初始化过程包括以下步骤：

步骤一：探测端的水声通信MODEM-A与中继端的水声通信MODEM-B之间参数自适应配置初始化；

步骤二：完成步骤一后，信息处理中心端操作人员通过显示控制平台测试射频通信模块B与显示控制平台间信道通信正常、通过射频通信模块B测试中继端的射频通信模块A与中继端的水声通信MODEM-B之间的信道通信正常、最后测试探测端的水声通信MODEM-A与测量传感器之间的信道通信正常；

在完成上述初始化过程后，根据本传输系统的通信协议实现水文信息的测量、无线数据传输、信息处理中心端的显示与控制，具体实现步骤如下：

步骤三：信息处理中心端发送命令，使得某一测量传感器或多个测量传感器同时采集水文信息，探测端数据前置处理与控制接口模块读取测量传感器数据并实现数据封装，通过RS232串口将封装好的测量信息传输至探测端的水声通信MODEM-A；

步骤四：探测端的水声通信MODEM-A完成信息编码后通过水声信道传输至中继端的水声通信MODEM-B，水声通信MODEM-B将接收到的信息传输至中继端的射频通信模块A，射频通信模块A再通过射频信道将信息传输至信息处理中心端的射频通信模块B；

步骤五：信息处理中心端的射频通信模块B通过RS232串口将信息传输至显示控制平台，完成信息处理与显示。

进一步地，所述的探测端的水声通信MODEM-A与中继端的水声通信MODEM-B之间的参数自适应配置，其实现过程具体包括以下步骤：

步骤一：探测端的水声通信MODEM-A与中继端的水声通信MODEM-B上电；

步骤二：探测端的水声通信MODEM-A按照发射周期3s、发射功率3dB步长递减发送功率档位信息加双方约定的握手信息；

步骤三：中继端的水声通信MODEM-B接收并统计对应各功率档位的误码率，待完成全部档位信息接收后，中继端的水声通信MODEM-B用误码率最低的通信参数配置自己；

步骤四：中继端的水声通信MODEM-B将最优的通信参数信息以约定的格式发送至探测端的水声通信MODEM-A，水声通信MODEM-A根据接收到的参数信息完成自身配置。

本发明能够带来以下有益效果：

本发明应用于浅水航道的水文信息探测，探测点可以灵活选择，利用一对水声通信节点实现水下无线传输，将中继端选取在合适地点实现信息出水，利用射频通信将测量信息传输至显示控制平台，从而解决了水下传感器参数信息有缆传输安全性、成本及观测站点选择不灵活等方面的问题，无线数据传输实现了探测端与中继端远程控制。

附图说明：

图1是本发明的无线传输系统工作流程图；

图2是本发明的水声通信MODEM硬件电路原理框图；

图3是本发明的FH-FSK通信原理框图；

图4是本发明的原始通信速率为240bps、频点最小间隔为80Hz的跳频图案；

图5是本发明的原始通信速率为240bps、频点最小间隔为480Hz的跳频图案；

图6是本发明的原始通信速率为160bps、频点最小间隔为480Hz的跳频图案；

图7是本发明的水声通信MODEM自适应参数配置工作流程图；

图8是本发明的中继端配置水声通信MODEM参数指令图；

图9是本发明的中继端询问水声通信MODEM参数指令图；

图10是本发明的中继端水声通信MODEM上传参数指令图；

图11是本发明的中继端水声通信MODEM配置正确应答指令图；

图12是本发明的中继端水声通信MODEM配置错误应答指令图；

图13是本发明的探测端配置远端水声通信MODEM参数指令图；

图14是本发明的探测端询问远端水声通信MODEM参数指令图；

图15是本发明的探测端配置/返回传感器参数指令图；

图16是本发明的探测端询问传感器参数指令图；

图17是本发明的探测端访问传感器数据指令图；

图18是本发明的探测端返回数据指令形式图；

附图标记说明：探测端（1）、中继端（2）、信息处理中心端（3）、信号处理单元（4）、模拟信号输入与处理单元（5）、功率放大单元（6）、收发合置换能器（7）、供电单元（8）。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细的说明：

图1是水文测量信息的无线传输系统工作流程图，系统包括探测端1、中继端2、信息处理中心端3。水上数据传输部分主要采用无线电信道，在水下部分采用水声信道，在水面以上部分采用甚高频无线电信道。探测端1包括测量传感器、数据前置处理与控制接口模块和水声通信MODEM-A，中继端2包括射频通信模块A和水声通信MODEM-B,信息处理中心端3包括射频通信模块B和显示控制平台。数据上行过程中，测量传感器数据在数据前置处理与控制接口模块中完成数据打包，由水声通信MODEM-A编码调制后通过水声信道将数据传给中继端2的水声通信MODEM-B，在中继端2完成信息出水并通过射频通信模块A将数据传给信息处理中心端3的射频通信模块B，射频通信模块B将数据传送给信息处理中心端3的显示控制平台完成数据处理、存储、显示和监控。数据下行过程中，信息处理中心发送指令，通过信息处理中心端3的射频通信模块B将数据传输给中继端2的射频通信模块A，射频通信模块A再通过RS232串口将数据传输至水声通信MODEM-B，实现信息入水，然后水声通信MODEM-B通过水声信道将信息传输给探测端1的水声通信MODEM-A，水声通信MODEM-A通过RS232串口将数据传给数据前置处理与控制接口模块完成数据打包，数据前置处理与控制接口模块通过RS485串口访问或控制测量传感器。

无线数据传输通过射频通信模块实现，选定为ND250A，日本原装芯片。

水下数据传输通过水声通信MODEM实现，图2是水声通信MODEM硬件电路原理框图。水声通信MODEM主要由信号处理单元4、模拟信号输入与处理单元5、功率放大单元6、收发合置换能器7、供电单元8五个部分组成。信号处理单元4由DSP芯片及外围设备、控制芯片等组成，它是水声通信MODEM的中枢，DSP芯片选择TMS320C5509，控制芯片选择MPS4302618。模拟信号输入与处理单元5主要是前置模块，连接收发合置换能器7,功率放大单元6将信号处理单元4产生的信号放大并发射。

水声通信MODEM采用跳频频移键控（FH-FSK）通信方法，图3是FH-FSK通信原理图。为了实现稳健的水下数据传输，采用非相干处理的FH-FSK通信体制联合纠错码技术。FSK非相干通信技术虽然信道利用率不如相干通信，但鲁棒性好，对硬件要求相对较低、可以满足很多应用的要求。FSK非相干通信技术与跳频技术结合可以实现较好的抗多途、抗多普勒性能。利用FFT/IFFT实现了全数字调制解调，实现跳频信号的频点数量、频点间隔、频点脉宽的灵活变化，可以兼容循环前缀、循环后缀、零前缀等多种保护间隔填充方式，可以根据信道条件和性能要求在基带实现多模式跳频，具有提高跳频性能，简化跳频系统设计，降低跳频系统复杂度的效果。发射端：信道编码后，依据频点映射表即跳频图案将信息映射到各子载波上，并插入测频信号，进行N点IFFT，变成时域基带信号，可以插入循环前缀、循环后缀、零前缀等多种保护间隔，升采样Q倍，低通滤波，数字调制，送D/A。接收端：A/D后，数字解调，降采样Q倍，N点FFT，变成频域基带信号，提取测频信号，测量频偏并校正接收信号，删去循环前缀或循环后缀，然后依据频点图案提取信息，最后信道译码。

针对系统使用过程中不同的抗多普勒与抗多径性能要求设计几种不同条件下的跳频图案，即频点映射时序图。图4、图5是原始通信速率为240bps时的跳频图案，在图4、图5所示两种跳频图案的设计中，通信带宽为5.12kHz,分为A、B、C三个大区间，每大区间带宽df1为1600Hz，每个大区间分成a、b、c、d、e五个小区间，小区间带宽为320Hz，每小区间有四根频率映射点，其频率间隔df2为80Hz。从图4、图5所示的跳频图案可以看出，每一符号长度为25ms,同频段重复利用的周期为125ms,因此可以实现100ms的抗多径性能。从图4跳频图案可以看出相邻符号间频点最小间隔为80Hz,图5跳频图案相邻符号间频点最小间隔为480Hz,因此图5的跳频图案可以实现更好的抗多普勒性能。图6为原始通信速率为160bps时跳频图案。在图6所示跳频图案的设计中，将5.12kHz通信带宽分为A、B两个大区间，每大区间带宽df1为2240Hz,每个大区间分成a、b、c、d、e、f、g七个小区间，每小区间带宽为320Hz，每小区间有四根频率映射点，其频率间隔df2为80Hz。跳频图案中每一符号长度为25ms,同频段重复利用的周期为175ms,因此可以实现150ms的抗多径性能。图6中跳频图案相邻符号间频点最小间隔为480Hz,具有很好的抗多普勒性能。另外，可以根据信道特性设计不同的跳频图案，灵活调整抗多径、抗多普勒性能与通信速率之间的关系。

图4、图5、图6跳频图案的性能指标如表1所示：

表1不同载波时序下通信性能比较

本发明中的水声通信MODEM引入了自适应参数调整模式，该模式主要是为了降低用户使用过程中的难度。目前该套水声通信MODEM主要引入了发射功率、通信速率两个参数的自适应调整功能，图7是水声通信MODEM自适应参数配置工作流程图。在系统完成布放后，用户可以通过操作自适应参数搜索按钮，水声通信MODEM会按照通信速率与发射功率的组合完成特定数据的通信，在接收端统计各种参数组合情况下通信性能，当完成所有参数组合搜索后选取通信性能做好的一组参数进行水下数据传输。另外，用户可以手动进行通信MODEM参数设置，寻找到某一通信环境上最优的工作参数。手动配置MODEM过程需要人为修改各项参数，会增加操作难度，但优点是可以选择到更加优异的参数组合。

按照图1所示水文测量信息无线传输系统工作流程，用户可以在信息处理中心用PC机在信息处理中心端3、远程控制中继端2、与探测端1各模块实现信息处理中心端3的射频通信模块B初始化、中继端2的射频通信模块A和水声通信MODEM-B初始化、探测端1的水声通信MODEM-A、测量传感器初始化、水文信息测量及数据传输命令下达。信息处理中心端3、中继端2、探测端1主要工作及流程如下：

信息处理中心端3主要用于发送控制命令。当有人工命令，则通过RS232串口向射频通信模块发送命令，设计一种可选时间（10s～半小时）的自动重发取数据的命令菜单。命令分为两种：控制水声通信MODEM和水下传感器工作参数的命令；获取水下传感器数据的命令。信息处理中心端3还用于解码、存储、显示接收数据。当接收到射频通信模块RS232串口传来的水下数据时，进行水下数据的终端解码、存储、显示。

中继端2主要完成命令与数据的中转。图8～图12分别是中继端2配置、询问MODEM参数指令、MODEM上传参数指令、配置正确应答指令、配置错误应答指令。通过RS232串口接收到字符串，首先判断该字符串是Modem配置指令还是数据指令。MODEM只译码配置MODEM参数指令和询问MODEM参数指令，对其他指令或数据都不做译码，将其直接传输出去。若为水声接收到数据，则从串口发送出去，若为串口接收到数据，则从水声发送出去。若为配置MODEM参数指令，则MODEM用指令中的[功放、前放、应答次数、速率等]配置参数配置自身。若参数配置正确，则向RS232串口发送配置正确应答，若错误，则向RS232串口发送配置错误应答。若为询问MODEM参数指令，则MODEM将自身[功放、前放、应答次数、速率等]配置参数写入MODEM上传参数指令，并将其从RS232串口发送出去。当MODEM水声接收数据CRC校验错误时，则向RS232串口发送MODEM接收错误应答，若正确，则将接收数据通过RS232串口发送出去。当MODEM收到配置参数时，若参数配置正确，则向RS232串口发送配置正确应答，若错误，则向RS232串口发送配置错误应答。

探测端1主要完成水文测量信息的采集及信息编码、调制、水声发射及命令接收。图13到图18分别是探测端配置远端MODEM参数指令、询问远端MODEM参数指令、配置/返回传感器参数指令、询问传感器参数指令、访问传感器数据指令、返回数据组织形式。RS485串口6个,RS485串口处于定时轮询状态，通过探测端传感器访问接口主动读取所连接的水下传感器数据，如果被轮询的传感器无数据则填上一批数据。RS232串口命令译码。RS232串口接收到命令后，首先进行命令译码，判断是控制接口模块配置命令还是Modem配置命令，若是Modem配置命令则通过RS232串口发送给水声通信dem。若是控制接口模块配置命令，则关闭RS485串口，执行配置命令，通过RS232串口握手通信方式发送给水声通信Modem，然后打开RS485串口。当控制接口模块接收到的指令为配置远端MODEM参数指令或询问远端MODEM参数指令时，则将指令中的标识0xAC或0xAE分别变成0xBC或0xBE。并将其从串口发送出去。当控制接口模块RS232串口接收到MODEM上传参数指令时，则将其从RS232串口发送出去。当控制接口模块接收到的指令为配置传感器参数指令时，根据传感器ID号，配置相应的传感器，此时轮询禁用。当控制接口模块接收到的指令为访问传感器参数指令时，根据传感器ID号，得到相应的传感器参数，将其写入返回传感器参数指令中，并从串口发送出去。若为轮询，可以生成六次返回传感器参数指令，且XXXX=传感器ID号，并在水声通信MODEM发送容许条件下依次发送出去。当控制接口模块接收到的指令为访问传感器数据指令时，根据传感器ID号，组织好数据，将其写入返回数据组织形式中，并写入当前的帧号。将其在水声MODEM发送容许的条件下依次发送出去。

综上所述，本发明的一套适用于混浊浅水水文测量信息的无线传输系统是联合利用射频通信与水声通信进行水文数据传输的设备。该系统工作稳定可靠，解决了传统有缆数据传输中所存在安全性、成本高、布放、行船破坏及观测站点选择不灵活等方面的问题。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的实施结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输系统，其特征在于：包括探测端、中继端、信息处理中心端，其中，探测端包括测量传感器、数据前置处理与控制接口模块和水声通信MODEM-A，中继端包括射频通信模块A和水声通信MODEM-B,信息处理中心端包括射频通信模块B和显示控制平台；数据上行过程中，测量传感器数据在数据前置处理与控制接口模块中完成数据打包，由水声通信MODEM-A编码调制后通过水声信道将数据传给中继端的水声通信MODEM-B，在中继端完成信息出水并通过射频通信模块A将数据传给信息处理中心端的射频通信模块B，射频通信模块B将数据传送给信息处理中心端的显示控制平台完成数据处理、存储、显示和监控；数据下行过程中，信息处理中心发送指令，通过信息处理中心端的射频通信模块B将数据传输给中继端的射频通信模块A，射频通信模块A再通过RS232串口将数据传输至水声通信MODEM-B，实现信息入水，然后水声通信MODEM-B通过水声信道将信息传输给探测端的水声通信MODEM-A，水声通信MODEM-A通过RS232串口将数据传给数据前置处理与控制接口模块完成数据打包，数据前置处理与控制接口模块通过RS485串口访问或控制测量传感器。

2.一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输方法，其特征在于：具体包括系统初始化过程和水文信息测量、传输、显示过程，其中初始化过程包括以下步骤：

步骤一：探测端的水声通信MODEM-A与中继端的水声通信MODEM-B之间参数自适应配置初始化；

步骤二：完成步骤一后，信息处理中心端操作人员通过显示控制平台测试射频通信模块B与显示控制平台间信道通信正常、通过射频通信模块B测试中继端的射频通信模块A与中继端的水声通信MODEM-B之间的信道通信正常、最后测试探测端的水声通信MODEM-A与测量传感器之间的信道通信正常；

在完成上述初始化过程后，根据本传输系统的通信协议实现水文信息的测量、无线数据传输、信息处理中心端的显示与控制，具体实现步骤如下：

步骤三：信息处理中心端发送命令，使得某一测量传感器或多个测量传感器同时采集水文信息，探测端数据前置处理与控制接口模块读取测量传感器数据并实现数据封装，通过RS232串口将封装好的测量信息传输至探测端的水声通信MODEM-A；

步骤四：探测端的水声通信MODEM-A完成信息编码后通过水声信道传输至中继端的水声通信MODEM-B，水声通信MODEM-B将接收到的信息传输至中继端的射频通信模块A，射频通信模块A再通过射频信道将信息传输至信息处理中心端的射频通信模块B；

步骤五：信息处理中心端的射频通信模块B通过RS232串口将信息传输至显示控制平台，完成信息处理与显示。

3.根据权利要求2所述的一种适用于混浊浅水的水文测量信息无线传输方法，其特征在于：所述的探测端的水声通信MODEM-A与中继端的水声通信MODEM-B之间的参数自适应配置，其实现过程具体包括以下步骤：

步骤一：探测端的水声通信MODEM-A与中继端的水声通信MODEM-B上电；

步骤二：探测端的水声通信MODEM-A按照发射周期3s、发射功率3dB步长递减发送功率档位信息加双方约定的握手信息；

步骤三：中继端的水声通信MODEM-B接收并统计对应各功率档位的误码率，待完成全部档位信息接收后，中继端的水声通信MODEM-B用误码率最低的通信参数配置自己；

步骤四：中继端的水声通信MODEM-B将最优的通信参数信息以约定的格式发送至探测端的水声通信MODEM-A，水声通信MODEM-A根据接收到的参数信息完成自身配置。

Images