基于STM32及太阳能板的水下监测用长续航跨介质通信浮标

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及水下监测设备，尤其是一种基于STM32及太阳能板的水下监测用长续航跨介质通信浮标。

背景技术

目前，包括水下机器人在内的各种水下监测设备与水面上位机之间的通信方式主要有两种，即有缆和无缆两种通信方式。

有缆通信主要以电力载波线的方式进行，这种通信方式速率高，稳定性好，可以实现实时通信，完成上位机对水下监测设备的实时通信。然而，缆线长度极大地限制了监测设备的作业范围，且容易发生缆线缠绕现象，其灵活性和适应性较低，而且随着线缆长度的增加，水下监测设备的成本及通信功率也大大增加。

无缆通信则主要由水声调制解调器来完成。当水下监测设备在水面之下对水文、地质等进行长时间监测时，水声调制解调器将电信号调制成声波信号，进而在水声信道中进行传送，这种通信方式传输距离远，水下监测设备的布放和作业更为灵活。但是，通信的时间点和传输的数据量又是随机的，如果STM32长时间在固定的高时钟频率下工作会有较大的功耗，当独立布放在水面时会加大蓄电池的负载，进而影响其续航能力，所以难以长时间独立的在水面作业环境中进行应用。

综上所述，如何增加通信浮标的续航能力以及灵活的无线通信能力是当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于STM32及太阳能板的水下监测用长续航跨介质通信浮标，其在功能上能够满足上位机与水下监测设备之间的无线通信功能，并且利用太阳能装置及时钟频率控制算法提高续航能力。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于STM32及太阳能板的水下监测用长续航跨介质通信浮标，包括通信浮标主体，在浮标主体上安装有如下模块：

主控芯片：与无线通信模块、调节解调模块相连接，实现整体控制功能；

无线通信模块：与主控芯片相连接，用于浮标在水面上与上位机进行通信；

调制解调模块：与放大滤波模块及换能器驱动模块相连接，用于将水声换能器收到的模拟信号转换为数字信号，或将主控芯片输出的数字信号转换为模拟信号；

放大滤波模块：与调制解调模块及水声换能器相连接，用于对模拟信号进行放大和滤波；

换能器驱动模块：与调制解调模块及水声换能器相连接，为水声信号的发送提供能量；

水声换能器：与放大滤波模块、换能器驱动模块相连接，用于将接收到的水声信号转换为电信号，或将电信号转换为水声信号发送出去；

太阳能电池板：与充电控制模块相连接，用于将太阳能转换为电能并将其存储于电源模块当中；

充电控制模块：与太阳能电池板及电源模块相连接，用于控制太阳能电池板对电源模块的充电过程；

电源模块：与充电控制模块及稳压降压模块相连接，用于存储太阳能电池板传输过来的能量并为整个系统提供电能；

稳压降压模块：与电源模块相连接，用于将电源模块的电压进行滤波和降压，然后分别供给系统不同模块使用。

进一步，所述通信浮标主体包括密封舱和支架，所述支架安装在密封舱上端，在支架上安装有支架座，在支架座上安装有太阳能板和天线，在密封舱外侧套装一圈提供浮力并维持平衡的浮体，在密封舱内部安装有电路板安装座，在该安装座上安装有电路板和电源模块，电源模块与太阳板相连接，在密封舱的舱底安装有用来维持密封舱稳定的压舱重物；所述水声换能器通过换能器线缆安装在密封舱的下方，在水声换能器的底部连接有防止线缆缠绕的重物。

进一步，所述主控芯片采用STM32系列芯片，该芯片通过SPI接口与无线通信模块进行通信。

进一步，所述充电控制模块由BUCK电路、电压检测装置、光敏传感器、与门电路、PID控制器、MOS管驱动芯片组成；电压检测装置与光敏传感器都经过一个与门电路连接到一个PID控制器，PID控制器控制MOS管驱动芯片，BUCK中的MOS管在MOS管驱动芯片的驱动下不断调整导通占空比，使得太阳能板输出到电源的电压也不断调整，当电源电压上升过快或接近额定电压则降低占空比，即降低充电电压，反之则升高占空比、升高充电电压。

进一步，所述主控芯片内安装有时钟频率控制算法，用于预测接下来24小时内通信请求发生的时刻，并依此设置未来24小时的芯片时钟频率，用于降低主控芯片的功耗。

进一步，所述时钟频率控制算法包括以下步骤：首先利用前一天的通信请求时刻生成预测函数，再利用前三天的通信请求次数生成预测系数，最后根据预测函数和预测系数生成总预测函数，并以此为依据确定未来24小时的时钟频率。

进一步，所述时钟频率预测方法还包括：当一天的通信结束后，比较实际通信时间点与预测的通信时间点，生成一个误差值E，当E大于某一数值时，则认为预测不准，需要重新统计三天的通信时间点并生成新的预测频率；当E小于某一数值时，则认为预测准确，保留前两天的数据并补充当前天的数据后预测下一天的频率。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明设计合理，电路板上STM32主控芯片通过调制解调模块控制水声换能器进行信号检测，当接收到水声换能器的检测信号后，再通过无线通信模块与上位机进行通信并将信号发送至上位机，实现了在水面上能够利用无线通信模块与上位机进行通信功能，以及在水面下则利用水声换能器将电信号转换为水声信号发送出去，或将接收到的水声信号转换为电信号再通过无线通信模块发送给上位机，并且本发明通过太阳能电池板在充电控制模块的控制下为电源模块补充电量，可以有效提高设备的续航能力。

2、本发明通过STM32主控芯片内的时钟频率控制算法，通过动态调节时钟工作频率，有效降低了SMT32主控芯片的功耗，延长续航时间。

附图说明

图1为本发明的通信浮标结构示意图；

图2为本发明的通信浮标模块间拓扑连接示意图；

图3为本发明的换能器驱动电路电路图；

图4为本发明的充电控制模块电路示意图；

图5为本发明的主控芯片时钟频率控制算法流程图；

图6为t时刻请求通信的概率示意图；

图中，1-天线，2-太阳能板，3-支架、4-电路板、5-支架座、6-电源模块、7-浮体、8-电路板安装座、9-压舱重物，10-密封舱，11-线缆，12-水声换能器，13-重物。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种基于STM32及太阳能装置的水下监测用长续航跨介质通信浮标，如图1所示，该通信浮标主体包括密封舱10、支架3和水声换能器12，所述支架安装在密封舱上端，在支架上安装有支架座5，在支架座上安装有太阳能板2和天线1，在密封舱外侧套装一圈提供浮力并维持平衡的浮体7，在密封舱内部安装有电路板安装座8，在该安装座上安装有电路板4和电源模块6，电源模块与太阳板相连接，在密封舱的舱底安装有用来维持密封舱稳定的压舱重物9。所述水声换能器12通过换能器线缆11安装在密封舱的底部，在水声换能器的底部连接有防止线缆缠绕的重物。

如图2所示，密封舱内的电路板包括无线通信模块、主控芯片、调制解调模块、放大滤波模块、换能器驱动模块、稳压降压模块以及充电控制模块。所述主控芯片与无线通信模块、调制解调模块相连接，所述调节解调模块与放大滤波模块、换能器驱动模块相连接，该放大滤波模块、换能器驱动模块与水声换能器相连接。所述充电控制模块与太阳板相连接，用于给电源模块进行充电，所述降压稳压电路与电源模块相连接，输出稳定电压为主控芯片、无线通信模块、S调制解调模块、放大滤波模块、换能器驱动模块供电。

无线通信模块与支架上的天线相连接，无线通信模块在STM32主控芯片的控制下与上位机之间进行无线通信。在本实施例中，无线通信模块选择集成式的无线通信芯片，具体型号选取但不限于nRF24L01，该无线通信芯片内部集成了频率发生器、加强型控制器、功率放大器、调制解调器等，可以通过SPI接口进行通道选用和协议设置，其工作电压为3.3V到5.0V。

调制解调模块一方面用于放大滤波模块传输过来的模拟信号并调制成STM32主控芯片可以识别的数字信号，或者将主控芯片需要发送的数字信号调制成模拟信号，然后传递给换能器驱动模块。在本实施例中，调制解调模块选取OKI公司设计生产的MSM7512系列芯片，其波特率为1200，供电电压为3.0V到5.0V，具有四种工作模式，且价格低廉。

在本实施例中，所述主控芯片作为核心控制模块，选择但不限于意法半导体(ST)公司的STM32系列芯片，该芯片时钟频率可动态调节，供电电压为2.0V到3.6V，其最高工作频率可达到72MHz，且具有较为丰富的外设接口。

当STM32主控芯片需要发送水声信号时，其将数字信息传递给调制解调模块，调制解调模块将数字信号调制成模拟信号后传递给换能器驱动模块，换能器驱动模块接收到要发送的模拟信号后，会产生驱动换能器所需的高压，然后将高压加载到水声换能器上，驱动水声换能器向水中发送水声信号。

当STM32主控芯片接收水声信号时，声波振动会使得水声换能器的薄片振动，从而产生相应的微小的电压信号，放大滤波模块将此信号进行放大和滤波后得到较为纯净的模拟信号，该信号再经过调制解调模块后变为芯片可以识别的数字信号。

如图3所示，所述换能器驱动模块采用集成式驱动芯片，型号选择IR公司生产的IR2117驱动芯片，该换能器驱动模块的高电压加载到换能器上的点也是放大滤波电路接收微小信号的点。由于换能器是收发一体的，其在发送信号的同时也有可能接收信号，假如不采取限压措施，当较高的驱动电路的发射电压直接加载到接收电路时，会烧坏接收电路的元器件，从而导致整个系统瘫痪。为了防止高压在接收发送同时进行时对放大滤波电路造成损坏，在该点增加了限幅电路，即在超声波信号前加入了一个阻值为200千欧的电阻、两个0.1微法的电容和两个二极管，当高电压直接作用于接收电路时，电流首先经过限流电阻，这时二极管导通，二极管回路的导通使二极管0.7V的导通电压加载到接收端，这样就不会影响后续电路。而当接收端接收到声波信号时，毫伏级的电压不能使二极管导通，这样信号就被传输到接收端处理电路。

所述放大滤波模块主要由功率放大电路、电压放大电路以及带通滤波电路组成。

所述水声换能器采用的型号为收发一体换能器，其不仅会向其他水下信息节点发送水声信号，而且还会收到其他水声换能器发送过来的水声信号并转换为电信号，其发送水声信号需要较高的电压。

所述电源模块为可重复充放电的锂电池，其放电电压为12V。

充电控制模块采用BUCK电路对锂电池充电，并监控锂电池电压，当电池电压接近12V或上升过快时降低占空比，反之增大占空比，该控制过程采用PID控制。如图4所示，充电控制模块电路由BUCK电路、电压检测装置、光敏传感器、与门电路、PID控制器、MOS管驱动芯片组成。电压检测装置与光敏传感器都经过一个与门电路连接到一个PID控制器，PID控制器控制MOS管驱动芯片，BUCK中的MOS管在MOS管驱动芯片的驱动下不断调整导通占空比，使得太阳能板输出到电源的电压也不断调整，如果电源电压上升过快或接近额定电压则降低占空比，即降低充电电压，反之则升高占空比、升高充电电压。这样做可以防止过度充电对电池造成损耗。当电压检测装置检测到电压低于某一临界值时，其会发出信号，如果光敏原件也感应到一定的光照强度，则与门导通，电池开始充电，电池补充电量完毕后，如果电压检测装置检测到电压上升到正常值，装置会自动复位，充电结束。在本充电控制模块控制过程中，太阳能板发电电压高于电源电压，太阳能板通过BUCK电路为电源模块充电，只有当电源监测模块检测到电源电压低于临界值且光敏传感器光照值大于一定值时，太阳能板才会给电源模块充电。

所述太阳能电池板为输出电压15V的微型光伏发电板，其面积取为100平方厘米左右，形状取为正方形，且附在通信浮标的上方。太阳能板经过充电控制模块后与可反复充电的电源模块相连，当电压检测模块检测到电源电压偏低且光敏传感器感应到一定的光照强度时，BUCK电路会在PID算法的控制下接通并不断根据充电情况调节占空比，防止过度充电的发生。降压稳压芯片则将电源电压滤波后降为不同等级的电压供主控芯片及其他模块使用。

所述稳压降压模块选用集成式稳压降压芯片，其型号选取但不限于LM2675系列降压芯片，该芯片能将12V的输入电压转换为5V，供给无线通信模块及调制解调模块等模块使用。选取但不限于AMS1117-3.3稳压芯片，将5V电压转换为3.3V电压供给主控芯片使用。

本发明为了尽量降低芯片功耗，STM32主控芯片采用如图5所示的时钟频率控制算法来预测并调整系统时钟频率，具体说明如下：首先系统开机并完成初始化，然后以最大时钟频率运行三天即72h，这个过程中记录每一天的通信次数，设为n1、n2、n3，并记录第三天即第49h到第72h的请求通信的时刻，设共有n个，分别为t1、t2、t3…tn，以时间为横坐标、一小时为一个单位长度，以概率P为纵坐标建立平面直角坐标系，将t1、t2、t3…tn分别代入公式

然后根据(1，n1)、(2，n2)、(3，n3)这几个坐标点求得一个二次样条插值函数Y＝g(x)，将n＝4代入x可得第四天的预测次数n4，再利用公式k＝n4÷n3即可求得预测比例系数k。则总预测函数F的计算公式为F＝k*f，如果F的值大于1则将F设置为1。由于时钟频率只能是8MHz及其整数倍，且最大为64MHz，所以具体频率的确定按照如下规则：F大于0小于等于0.125时时钟频率设置为8MHz；F大于0.125小于等于0.25时时钟频率设为16MHz；F大于0.25小于等于0.375时时钟频率设为24MHz；F大于0.375小于等于0.5时时钟频率设为32MHz；F大于0.5小于等于0.625时时钟频率设为40MHz；F大于0.625小于等于0.75时时钟频率设为48MHz；F大于0.75小于等于0.875时时钟频率设为56MHz；F大于0.875小于等于1时时钟频率设为64MHz。

得到上述预测时钟频率后，将第二天的数据设为第一天的，将第三天的数据设为第二天的，然后按照预测的时钟频率进行运行，同时记录请求通信的时刻的数据，满24h后，将这一天的数据当作第三天的数据，即上文中49h到72h内请求通信的时刻。

计算预测误差的算法如下：设前一天共有a个请求通信的时刻，分别为t1、t2…ta，本天结束后共有b个请求通信的时刻，分别为T1、T2…Tb，则误差E的计算公式为

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。