本發(fā)明涉及一種嵌入式航海數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
船艦雷達(dá)是其航海重要輔助設(shè)備，對其的信號采集的及時(shí)性、準(zhǔn)確性、高精度性直接關(guān)系到船艦的位置測定、運(yùn)行中的碰撞、海面浮標(biāo)的觀測、以及與岸線的方位和距離等一系列目標(biāo)參數(shù)，同時(shí)船艦數(shù)量的增加以及海面復(fù)雜多變的氣候，更迫切的需要獲知船艦周邊的障礙物信息以及當(dāng)前的氣候條件。所以，對船艦雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集成為海航安全的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)采集的實(shí)效性以及精確性也是船艦避免碰撞自動化系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種嵌入式航海數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該嵌入式航海數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過基于傳感器分組的設(shè)置，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每一傳感器成為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而每組的匯聚節(jié)點(diǎn)針對每組匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚時(shí)間以及最大延遲時(shí)間得到有效提高，有效提高數(shù)據(jù)采集的有效性。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提供的一種嵌入式航海數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括傳感器、探測器、反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息控制融合中心、控制系統(tǒng)；所述傳感器數(shù)量為八個(gè)以上，傳感器通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接探測器；所述探測器、反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息控制融合中心依次信號連接；反饋系統(tǒng)和信息控制融合中心還分別與控制系統(tǒng)信號連接；所述傳感器分組連接多個(gè)探測器，每個(gè)探測器與反饋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)一一對應(yīng)。
所述傳感器每組為四個(gè)。
所述探測器、反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用以DSP為核心處理器的一體設(shè)置。
所述DSP采用TMS320VC5402。
所述探測器前級設(shè)置有低噪聲源模數(shù)轉(zhuǎn)換。
所述低噪聲源模數(shù)轉(zhuǎn)換為A/D380，采用雙極性四階差分調(diào)制器轉(zhuǎn)換模擬脈沖信號。
所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議使用801.11協(xié)議族。
本發(fā)明的有益效果在于：基于傳感器分組的設(shè)置，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每一傳感器成為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而每組的匯聚節(jié)點(diǎn)針對每組匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚時(shí)間以及最大延遲時(shí)間得到有效提高，有效提高數(shù)據(jù)采集的有效性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的連接示意圖。
具體實(shí)施方式
下面進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但要求保護(hù)的范圍并不局限于所述。
如圖1所示的一種嵌入式航海數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括傳感器、探測器、反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息控制融合中心、控制系統(tǒng)；所述傳感器數(shù)量為八個(gè)以上，傳感器通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接探測器；所述探測器、反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息控制融合中心依次信號連接；反饋系統(tǒng)和信息控制融合中心還分別與控制系統(tǒng)信號連接；所述傳感器分組連接多個(gè)探測器，每個(gè)探測器與反饋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)一一對應(yīng)。
所述傳感器每組為四個(gè)。
所述探測器、反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用以DSP為核心處理器的一體設(shè)置。
所述DSP采用TMS320VC5402。
所述探測器前級設(shè)置有低噪聲源模數(shù)轉(zhuǎn)換。
所述低噪聲源模數(shù)轉(zhuǎn)換為A/D380，采用雙極性四階差分調(diào)制器轉(zhuǎn)換模擬脈沖信號。
所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議使用801.11協(xié)議族。
一個(gè)完整的雷達(dá)數(shù)據(jù)采樣經(jīng)過高頻采樣、量化、編碼、A/D轉(zhuǎn)換最終經(jīng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸。
公式(1)是雷達(dá)數(shù)據(jù)采樣最常用的平頂采樣[6]，其中采樣脈沖寬度為，為采樣濾波器的頻域卷積值。經(jīng)過公式(1)采樣后數(shù)值雖然在時(shí)間序列上是離散，但是在幅值上還是連續(xù)的，通過公式(2)進(jìn)行映射：
yk＝Q{xk＜x＜xk+1},k＝1,2…N (2)
Q為量化參考映射間隔，其滿足量化滿尺度方程，為最終的量化值，它的精度與量化器位數(shù)相關(guān)聯(lián)，并且滿足如下條件：
Ⅰ.量化后信號與噪聲比和參數(shù)(量化間隔數(shù))的平方成正比。
Ⅱ.使用公式(2)的過程中，通過信號的幅度范圍以及信噪比參數(shù)確定的選擇。
Ⅲ.當(dāng)量化參數(shù)確定后，隨著信號幅值的降低，對應(yīng)的信噪比惡化與量化精度的降低。
量化后需要對其進(jìn)行編碼，本文使用雙極性編碼，公式如下：
其中，vout是對應(yīng)的量化信號an編碼后的輸出，最后經(jīng)過雙積分型A/D轉(zhuǎn)化器得到最后幅度與時(shí)序的離散信號。
雙積分A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號進(jìn)行兩次積分，將模擬信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制控制的數(shù)字信號。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有輸出信號精度高、且有較強(qiáng)的抗噪聲性能，由于海面噪聲、氣候條件、以及反射折射等干擾，所以選用此類型A/D轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)組成一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)(Ad hoc)。傳輸協(xié)議使用通用的801.11協(xié)議族。數(shù)據(jù)采樣使用公式(1)中的平頂采樣，經(jīng)過量化后使用雙極性編碼方式，最終同樣采用雙極性A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為離散數(shù)字型號；2組船艦中每4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一簇；整個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為接收傳感器數(shù)據(jù)前的控制階段、接收傳感器數(shù)據(jù)采集階段以及采樣后傳輸階段。在控制階段，采集系統(tǒng)根據(jù)信息中心發(fā)送給控制系統(tǒng)中的控制位進(jìn)行初始化。在第二階段，每組船艦的每個(gè)雷達(dá)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一定長度頭部傳控信息(8KB)，在經(jīng)由匯總節(jié)點(diǎn)組成簇?cái)?shù)據(jù)，并分別傳送各自的控制系統(tǒng)，之后，匯總節(jié)點(diǎn)A持續(xù)接收控制系統(tǒng)發(fā)送的控制探測幀(BPF)，此后開始根據(jù)控制信息選擇接收相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集信息，直到接收到最遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的反饋幀。其中控制幀(BPF)攜帶了選取節(jié)點(diǎn)的簇號，允許的最大節(jié)點(diǎn)ID和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)CN號，再之后，匯總節(jié)點(diǎn)以一定的數(shù)據(jù)格式，如遞推方式對節(jié)點(diǎn)ID、CN以及簇號依次進(jìn)行計(jì)算，并記錄下此刻接收節(jié)點(diǎn)的功率等級，直至達(dá)到規(guī)定的最大等級數(shù)。
由于采用對節(jié)點(diǎn)ID進(jìn)行動態(tài)調(diào)整的方式，這樣有效的降低了信號發(fā)射器的耗能量。
在采集階段，由于一簇包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)，則一組艦隊(duì)簇的數(shù)量為M＝N/4，N為一族艦隊(duì)總的節(jié)點(diǎn)數(shù)，則可以推算第j簇中所包含的四個(gè)節(jié)點(diǎn)的序列號為：ID＝(j-1)×4+1～j×4,j＝1,2,3…M。
下面介紹給出匯聚算法數(shù)據(jù)采集階段的詳細(xì)方案，步驟如下：
①每一簇中的各節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體，同一時(shí)刻采樣自身的有效數(shù)據(jù)幀。
②匯總節(jié)點(diǎn)收到有效數(shù)據(jù)幀時(shí)，判斷它們的簇序號CN是否相同，若相同，并且節(jié)點(diǎn)ID號相匹配，則匯總節(jié)點(diǎn)反饋給控制系統(tǒng)采樣信號正確，否則對接收信息過濾處理。
③對于簇中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，收到匯總節(jié)點(diǎn)反饋的信號匯聚簇信息，解析其中的控制信號量，以便在控制下一次數(shù)據(jù)匯聚幀信息。
④關(guān)于針對節(jié)點(diǎn)的糾錯(cuò)處理，對簇號為j中的各節(jié)點(diǎn)ID＝(j-1)×4+1～j×4,j＝1,2,3…M在沒有接收到同一個(gè)簇號中比自身ID大的相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的匯聚糾錯(cuò)幀信息時(shí)，啟動自身定時(shí)器Time。在定時(shí)器有效時(shí)間內(nèi)，如果還沒接收到，則標(biāo)記自身節(jié)點(diǎn)實(shí)效。
由此，控制信息不再針對整個(gè)系統(tǒng)中的單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，而是對艦隊(duì)進(jìn)行編號，并進(jìn)行分簇處理，上述步驟可以推測，在同一簇中的艦隊(duì)，只要其中2個(gè)或以上雷達(dá)數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)成功接收，即不影響整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度，有效的增加了系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。