CN116980050A - 用于水下感应的耦合数据通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及感应耦合数据传输技术领域，具体涉及一种用于水下感应的耦合数据通信方法及系统，所述的方法包括：步骤S1：设计数据传输算法及数据流格式；步骤S2：设计数据传输速率可调算法；步骤S3：设计水上机、水下机的通信流程及水上机数据接收时长检测模式。本发明实现了感应耦合系统数据传输速率可调的功能，通过改变传输算法设定的基础信号源的幅频参数，实现不同的传输数据码波形周期，进而完成数据传输速率调节，该功能由水上机发送数据速率选择命令来实现，该方式可以在不拆卸水下机结构的前提下，根据指令设置不同的数据传输速率，以满足不同数据量的情况下水下感应耦合系统对传输速率的要求。

Description

用于水下感应的耦合数据通信方法及系统

技术领域

本发明涉及感应耦合数据传输技术领域，具体涉及一种用于水下感应的耦合数据通信方法及系统。

背景技术

在目前情况下，水面与水下之间的通信一般采用有线通信、水声通信以及感应耦合通信等方式。而有线通信方式直接通过电缆连接进行信息传输，虽然可靠性强，但是电缆笨重，并且电量一旦设计制造成型，电缆上挂载的传感器的位置及数量将固定，在恶劣海洋环境下，电缆接口受到振动、冲击影响，会造成有线数据通信方式的失效；而水声通信因为海洋环境中的干扰因素很多且本身信道环境复杂，所以实现系统复杂且昂贵。

而相比于有线通信和水声通信，水下线缆感应耦合通信因为传输速率更好、实时性更好、各终端设备与线缆间完全是无线连接、各类设备可以任意拆卸、价格适中和结构可更改等优点，近年来已经得到越来越广泛的应用。水下感应耦合数据传输是目前海洋观测的重要技术之一，该技术具有高可靠性且应用最为广泛。感应耦合数据传输系统采用电磁感应原理，主要由水下传输节点，数据传输信道以及水上接收节点三部分组成，水下传输节点主要由海洋传感器以及数据发送器构成，传输信道主要是由感应磁环、导线及水体组成。水上接收节点主要包括数据接收器及上位机终端构成的显示装置。其中，传输信道中，导线的两端需裸露且可当作海水中的电极，导线与海水就构成了闭合回路，只要将导线穿过两个感应磁环，就可以实现电信号从导线一端传输到另一端。其中，水下磁环接数据发送器，如海洋传感器，海洋传感器将采集到的海洋温度、电导率等数据传输到水下磁环，再通过感应耦合传输到导线上，最后传输到水上磁环。导线跟磁环之间不需要任何的电气连接，且拆卸简便，可以根据自身要求，在导线上任意挂载多个磁环节点，但整个传输系统对导线的强度要求较高，所以一般采用塑包钢缆作为传输线，且数据传输距离跟导线的长度相关。

在现阶段，感应耦合数据传输系统主要应用在海洋定点观测平台上，完成数据实时传输的任务，可以满足水下多深度多传感节点海洋数据采集。但是，在目前的现有技术中，水下感应耦合数据传输在工作时只能以单一速率进行数据传输，无法应对在面对不同数据流情况下的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于水下感应的耦合数据通信方法及系统，解决上述技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种用于水下感应的耦合数据通信方法，包括位于水面上的是水上机和位于水面以下的水下机，包括以下步骤：

步骤S1：设计数据传输算法及数据流格式；

步骤S2：设计数据传输速率可调算法；

步骤S3：设计水上机、水下机的通信流程及水上机数据接收时长检测模式。

作为本发明进一步的方案：在所述的步骤S1中，设计数据传输算法的具体步骤如下所示：

以正弦信号作为基础信号源；

将数据信号编码成一段固定周期内含有不同周期时间的正弦信号波形来进行不同码元的区分判断；

在固定周期内对波形的周期时间进行判断，将波形转化为码元数据，从而完成传输数据的解码。

作为本发明进一步的方案：在所述的步骤S1中，发送的数据通过添加帧头帧尾打包成数据流格式；

其中，所述的帧头总共占用八位，前三位为数据接收判断码，用于判断数据接收的正确性；后五位为地址信号，当该指令是水上机和单个水下机进行数据交互时，这五位码元表示该水下机所代表的从机地址；当水上机和多个水下机进行数据交互时，这五位码元表示发送数据的所有水下机地址信息；

所述的帧尾由三位码元表示。

作为本发明进一步的方案：在所述的步骤S2中，采用命令发送的方式进行水下机的数据传输速率设置，其具体步骤为：在基础信号源波形的设定基础上，通过水上机发送对应的数据速率选择指令，修改主控制器的波形发生模块的参数，进而改变水下机发送的数据传输速率。

作为本发明进一步的方案：在所述的步骤S3中，所述的水上机的通信流程具体包括：

S31、水上机等待上位机终端指令，若为数据速率选择指令，则跳转至S32步骤；若为数据采集命令，则直接跳转至S33步骤；

S32、水上机发送数据速率选择指令至水下机，在设定时间内等待接收水下机发送反馈指令，若反馈指令正确，则跳转至S31步骤；

S33、水上机发送数据采集指令至水下机，进入数据接收时长检测模式；若在设定时间内未接收到信号，则本次数据采集失败，重新返回S31步骤；若接收成功，则跳转至S34步骤；

S34、对接收到的数据帧头和数据帧尾进行判断，若数据的帧头和帧尾出错，则表明本次数据接收失败，水上机发送采集出错指令至上位机终端；若数据正确，水上机处理解析该数据，由上位机终端显示并跳转回S31步骤。

作为本发明进一步的方案：在所述的步骤S3中，所述的水下机的通信流程具体包括：

S41、水下机在上电复位之后设置默认的数据传输速率，并等待水上机发送的指令信号；

S42、水下机接收到数据速率选择指令，设置数据传输速率，若设置成功，则发送数据速率调节成功指令至水上机并返回S41步骤；若设置失败，则直接返回S41步骤；

S43、水下机接收到数据采集指令，将数据打包成固定的数据流格式，将其以设定好的数据传输速率发送至水上机，并返回S41步骤；

S44、水下机接收到采集出错指令，则水下机重新进行数据采集并发送至水上机，发送之后继续跳转至S41步骤。

作为本发明进一步的方案：在所述的步骤S33中，所述的数据接收时长检测模式具体为：

所述的水上机发送指令之后，水上机会进行接收时长检测，在设定时间内未收到水下机发送的反馈信号或者数据信号，则本次发送错误，需要重新发送；若发送成功，接收到的数据后续由水上机处理并传输至上位机终端进行显示。

一种用于水下感应的耦合数据通信系统，包括位于水面上的是水上机和位于水面以下的水下机，包括：

数据传输模块：设计数据传输算法及数据流格式；

数据传输调节模块：设计数据传输速率可调算法；

通信模块：设计水上机、水下机的通信流程及水上机数据接收时长检测模式。

本发明的有益效果：本发明设计的方法实现了感应耦合系统数据传输速率可调的功能，通过改变传输算法设定的基础信号源的幅频参数，实现不同的传输数据码波形周期，进而完成数据传输速率调节，该功能由水上机发送数据速率选择命令来实现，该方式可以在不拆卸水下机结构的前提下，根据指令设置不同的数据传输速率，以满足不同数据量的情况下水下感应耦合系统对传输速率的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明中数据流发送的流程示意图；

图2是本发明中水下感应耦合数据传输算法的流程示意图；

图3是本发明数据传输速率可调算法的流程示意图；

图4是本发明水上机通信流程图；

图5是本发明水下机通信流程图；

图6是本发明不同码元数据的传输算法信号波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图6所示，本发明为一种用于水下感应的耦合数据通信方法，包括以下步骤：

步骤S1：设计数据传输算法及数据流格式；

步骤S2：设计数据传输速率可调算法；

步骤S3：设计水上机、水下机的通信流程及水上机数据接收时长检测模式。

其中，步骤S1：设计数据传输算法及数据流格式；

如图5所示，首先无论是水上机发送指令给水下机，或是水下机发送数据给水上机，其发送的数据或指令信号会被解析成数据码格式，解析好的数据码结合帧头帧尾数据，即可打包成“帧头+数据+帧尾”的数据流格式；

其中，数据帧头有八位码元，前三位为数据接收的判断码，为固定的三位码制信号，用于判断数据接收的正确性；后五位为地址信号，当该指令是水上机和单个水下机进行数据交互时，这五位码元表示该水下机所代表的从机地址；当水上机和多个水下机进行数据交互时，这五位码元表示发送数据的所有水下机地址信息；数据帧尾也由三位数据码表示，这样就构成了一次数据发送的数据流。

如图1所示，设计的数据传输算法是由基础信号源构建而成，通过调节正弦波形的幅频参数，产生一段固定周期内含有不同周期时间的正弦信号波形来分别表示码元数据，这样就实现了将码元数据转换为不同的波形信号，再经过耦合传输链进行数据传输，将波形解析成对应的码元数据时，只需要在设定的时间内对传输的波形信号进行正弦波周期解析，即可将传输的波形转换为对应的码元数据。

图6表示传输算法对应的波形图，从图中可看出，对于固定的数据传输速率N，其码元数据对应的信号周期为1/N，传输算法需要选定固定频率F的基底正弦波，最后经过传输算法处理，即可将固定频率F的正弦波用来分别表示不同的码元数据，实现数据流的传输转换。

其中，步骤S2：设计数据传输速率可调算法；

如图2所示，水下机等待接收由水上机发送的数据速率选择指令，接收到之后修改正弦波形的幅频参数，如果速率修改成功，则以修改完成之后的数据速率将反馈指令发送至水上机，若修改失败则不对水上机做任何回应；由于水下机工作在海面以下的环境中，所以该算法采用上位机数据输入的方式来实现数据传输速率可调节的功能，以此实现数据传输速率可调。

其中，步骤S3：设计水上机、水下机的通信流程及水上机数据接收时长检测模式；

水上机作为数据发送的主机，所有的指令信息在上位机终端输入，由水上机进行发送。水上机设置了几种指令信号，有数据速率选择指令，该指令主要用于控制调节水下机的数据传输速率；数据采集指令，水上机发送该指令至水下机，该指令主要实现控制水下机进行水下数据采集，将数据打包成数据流格式，传输至水上机；数据采集反馈指令，水上机接收到水下机发送的数据信号，若该信号错误，则发送采集出错指令给水下机。

水下机作为数据接收的从机，主要设置了几种指令模式：数据速率调节反馈模式，水下机接收到水上机发送的数据速率选择指令后，水下机会进行相应的数据速率设置，若设置成功，水下机发送数据速率调节成功指令给水上机；数据采集反馈接收模式，当水下机发送采集的数据信号传输至水上机时，若水上机接收错误，则会发送采集出错指令给水下机，水下机接收后会重新采集数据，以设定的数据传输速率进行数据发送，并等待水上机的下一次指令信号。

水上机设置了时长检测功能模块，在水上机发送指令给水下机之后，水上机会根据水下机的数据传输速率进行接收时长设定，在设定时间内未收到水下机发送的反馈信号或者数据信号，或者是在设定时间段内接收到错误数据信号，则表明本次指令发送错误，需要水上机重新发送指令信号。

如图3和图4所示，水上水下机数据双向通信，流程如下：

(1)水上机通信流程：

S31、水上机等待上位机终端输入指令，若水上机解析到上位机终端输入数据速率选择指令，则跳转至S32步骤；若水上机解析到上位机终端发送数据采集命令，则直接跳转至S33步骤；

S32、水上机解析数据速率选择指令并转化为对应的波形信号，发送至水下机；水上机发送完数据速率选择指令后，在设定时间内等待接收水下机发送反馈指令，若设定成功，将反馈指令显示于上位机终端并跳转至S31步骤等待上位机终端的下一步指令输入；

S33、水上机将该数据采集指令解析成数据码并转化为对应的波形信号，发送至水下机；发送结束后开始进入数据接收时长检测模式；若在设定时间内未接收到数据信号，说明本次数据采集失败，重新返回S31步骤等待指令，若接收成功，则跳转至S34步骤；

S34、在设定时间内接收水下机发送的数据信号，对接收到的数据帧头和数据帧尾进行判断，若数据的帧头和帧尾出错，则表明本次数据接收失败，水上机发送采集出错指令给水下机，指示水下机重新进行数据发送；若数据正确，水上机处理解析该数据，由上位机终端显示并跳转回S31步骤。

(2)水下机通信流程：

S41、水下机在上电复位之后设置默认的数据传输速率，并等待水上机发送的指令信号；

S42、水下机接收到水上机发送的数据速率选择指令，设置数据传输速率，若设置成功，则向水上机发送数据速率调节成功指令并跳转至S41步骤；若设置失败，则返回S41步骤继续等待水上机指令信号的发送；

S43、水下机接收到水上机发送的数据采集指令，采集水下数据，并将其打包成固定的数据流格式，将其以设定好的数据传输速率发送至水上机，并返回S41步骤等待水上机指令信号的发送；

S44、水下机接收到水上机发送的采集出错指令，则表明上次数据发送失败，水下机重新进行数据采集并发送，发送完成之后继续跳转至S41步骤等待水上机的指令信号。

目前，感应耦合数据传输系统主要应用在海洋定点观测平台上，完成数据实时传输的任务，可以满足水下多深度多传感节点海洋数据采集。国内外设计的感应耦合系统，其工作时只能以单一速率进行数据传输。本发明主要研究感应耦合数据传输系统在面对不同数据流情况下的工作情况，提出并设计了一种数据传输速率可调的方式，提供一种全新的设计思路实现了耦合传输的多传输速率调节，并以上位机命令输入方式在线实时修改感应耦合系统的数据传输速率。

本发明以水下感应耦合数据传输为应用，设计数据传输速率可调的感应耦合通信协议，为水下感应耦合数据传输方式提供一种新颖可行的通信方式。该协议进行数据传输速率可调的设定，仅通过指令发送的方式就可以实现水下机数据传输速率可调的功能，丰富了水下感应耦合系统数据传输的方式，进一步满足水下感应耦合传输在不同的数据传输情况下的多样性。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种用于水下感应的耦合数据通信方法，包括位于水面上的是水上机和位于水面以下的水下机，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：设计数据传输算法及数据流格式；

步骤S2：设计数据传输速率可调算法；

步骤S3：设计水上机、水下机的通信流程及水上机数据接收时长检测模式。

2.根据权利要求1所述的用于水下感应的耦合数据通信方法，其特征在于，在所述的步骤S1中，设计数据传输算法的具体步骤如下所示：

以正弦信号作为基础信号源；

将数据信号编码成一段固定周期内含有不同周期时间的正弦信号波形来进行不同码元的区分判断；

在固定周期内对波形的周期时间进行判断，将波形转化为码元数据，从而完成传输数据的解码。

3.根据权利要求1所述的用于水下感应的耦合数据通信方法，其特征在于，在所述的步骤S1中，发送的数据通过添加帧头帧尾打包成数据流格式；

其中，所述的帧头总共占用八位，前三位为数据接收判断码，用于判断数据接收的正确性；后五位为地址信号，当该指令是水上机和单个水下机进行数据交互时，这五位码元表示该水下机所代表的从机地址；当水上机和多个水下机进行数据交互时，这五位码元表示发送数据的所有水下机地址信息；

所述的帧尾由三位码元表示。

4.根据权利要求1所述的用于水下感应的耦合数据通信方法，其特征在于，在所述的步骤S2中，采用命令发送的方式进行水下机的数据传输速率设置，其具体步骤为：在基础信号源波形的设定基础上，通过水上机发送对应的数据速率选择指令，修改主控制器的波形发生模块的参数，进而改变水下机发送的数据传输速率。

5.根据权利要求1所述的用于水下感应的耦合数据通信方法，其特征在于，在所述的步骤S3中，所述的水上机的通信流程具体包括：

S31、水上机等待上位机终端指令，若为数据速率选择指令，则跳转至S32步骤；若为数据采集命令，则直接跳转至S33步骤；

S32、水上机发送数据速率选择指令至水下机，在设定时间内等待接收水下机发送反馈指令，若反馈指令正确，则跳转至S31步骤；

S33、水上机发送数据采集指令至水下机，进入数据接收时长检测模式；若在设定时间内未接收到信号，则本次数据采集失败，重新返回S31步骤；若接收成功，则跳转至S34步骤；

S34、对接收到的数据帧头和数据帧尾进行判断，若数据的帧头和帧尾出错，则表明本次数据接收失败，水上机发送采集出错指令至上位机终端；若数据正确，水上机处理解析该数据，由上位机终端显示并跳转回S31步骤。

6.根据权利要求5所述的用于水下感应的耦合数据通信方法，其特征在于，在所述的步骤S3中，所述的水下机的通信流程具体包括：

S41、水下机在上电复位之后设置默认的数据传输速率，并等待水上机发送的指令信号；

S42、水下机接收到数据速率选择指令，设置数据传输速率，若设置成功，则发送数据速率调节成功指令至水上机并返回S41步骤；若设置失败，则直接返回S41步骤；

S43、水下机接收到数据采集指令，将数据打包成固定的数据流格式，将其以设定好的数据传输速率发送至水上机，并返回S41步骤；

S44、水下机接收到采集出错指令，则水下机重新进行数据采集并发送至水上机，发送之后继续跳转至S41步骤。

7.根据权利要求5所述的用于水下感应的耦合数据通信方法，其特征在于，在所述的步骤S33中，所述的数据接收时长检测模式具体为：

所述的水上机发送指令之后，水上机会进行接收时长检测，在设定时间内未收到水下机发送的反馈信号或者数据信号，则本次发送错误，需要重新发送；若发送成功，接收到的数据后续由水上机处理并传输至上位机终端进行显示。

8.一种用于水下感应的耦合数据通信系统，包括位于水面上的是水上机和位于水面以下的水下机，其特征在于，包括：

数据传输模块：设计数据传输算法及数据流格式；

数据传输调节模块：设计数据传输速率可调算法；

通信模块：设计水上机、水下机的通信流程及水上机数据接收时长检测模式。