一种水下双向数据高速传输系统的制作方法

1.本发明涉及水域探测监控技术领域，更具体的说是涉及一种水下双向数据高速传输系统。


背景技术：

2.作为水域侦察及水下工程开展的重要依据，水下视频和传感数据的采集、向水面的传输，以及水下设备的监控在探索海洋与发展海洋中扮演着不可或缺的角色。现有水下数据传输系统存在数据传输带宽低、功能单一及应用场景特定化等问题。
3.因此，如何提供一种传输带宽高、兼容性强、实时性好的水下双向数据高速传输系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种水下双向数据高速传输系统，用于水域侦察及水下设备的实时控制。可将水下高清视频及各类传感数据无压缩、实时、远距离传输到水面，在上位机中可进行监控显示及存储，同时上位机可向水下发送控制指令以控制水下设备。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种水下双向数据高速传输系统，包括：水下采集传输平台、水上中转平台以及水上监控平台：
7.所述水下采集传输平台用于采集水下环境信息，并通过两路光纤通道与所述水上中转平台进行双向传输；
8.所述水上中转平台用于对获取的水下环境信息进行处理，并通过以太网发送至所述水上监控平台，以及通过以太网接收所述水上监控平台发送的控制指令，并通过光纤通道发送至所述水下采集传输平台；
9.所述水上监控平台用于对接收的水下环境信息进行监控，以及负责水下设备控制指令的发送。
10.优选的，所述水下采集传输平台包括水下主控模块、相机模块、传感数据采集模块、水下光纤传输模块和水下电源模块，所述水下主控模块分别与所述相机模块、所述传感数据采集模块和所述水下光纤传输模块连接；
11.所述相机模块用于采集水下视频图像；
12.所述传感数据采集模块用于采集水下环境传感数据；
13.所述水下光纤传输模块用于与所述水上中转平台进行双向传输；
14.所述水下主控模块用于控制水下环境信息的采集、上传以及根据控制指令实现对水下设备的控制。
15.所述水下电源模块用于为所述水下主控模块和所述传感数据采集模块提供电源。
16.优选的，所述水上中转平台包括水上主控模块、水上光纤传输模块、数据缓存模块、千兆以太网传输模块和水上电源模块，所述水上主控模块分别与所述水上光纤传输模
块、数据缓存模块和千兆以太网传输模块连接，所述水上光纤传输模块和所述水下光纤传输模块连接；
17.所述水上光纤传输模块用于与所述水下光纤传输模块进行双向传输；
18.所述水上主控模块用于对水下环境信息和控制指令进行分析；
19.所述数据缓存模块用于存储水下环境信息；
20.所述千兆以太网传输模块用于与所述水上监控平台进行双向传输；
21.所述水上电源模块用于为所述水上主控模块和所述数据缓存模块提供电源。
22.优选的，所述水上监控平台包括网络通信模块、视频监控模块、传感数据监控模块、监控界面和控制指令下发模块，所述网络通信模块分别与所述视频监控模块、所述传感数据监控模块、所述控制指令下发模块和所述水上光纤传输模块连接；
23.所述网络通信模块用于与所述千兆以太网传输模块进行双向通信；
24.所述视频监控模块用于对水下视频图像进行监控以及实时录制；
25.所述传感数据监控模块用于对水下环境传感数据进行监控以及存储；
26.所述监控界面用于平台的整体布局和组件摆放；
27.所述控制指令下发模块用于下发控制指令。
28.优选的，所述传感数据采集模块包括但不限于水听器、深度传感器、温度传感器、姿态传感器和浊度传感器。
29.优选的，所述水下光纤传输模块和所述水上光纤传输模块均为两路光纤，水下视频图像占用一路光纤，水下环境传感数据和控制指令共用一路光纤。
30.优选的，每路光纤均可进行全双工的数据通信，光纤每个通道收发速度为5gb/s。
31.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种水下双向数据高速传输系统，本发明采用光缆作为传输介质，使得水下数据传输系统不受传统数据接口的速率限制，能够同时双向进行数据的高速传输，传输的视频画面无压缩、质量高。硬件上，水下采集传输平台预留了足够的常用传感器接口，方便随时增添各类水下传感器器件。所以，本发明操作方便，可随时增添水下传感器，可实时监控水下状况，并对水下设备发送控制命令。本发明具有水下双向数据传输带宽高、兼容性强、实时性好的特点。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1是水下双向数据传输系统总体架构图。
34.图2是水下采集传输平台硬件结构图。
35.图3是水下采集传输平台软件流程图。
36.图4是水上中转平台硬件结构图。
37.图5是水上中转平台软件流程图。
38.图6是水上监控平台功能模型图。
39.图7是光纤通信系统简易结构图。
40.图8是水下双向数据传输系统应用示例图。
具体实施方式
41.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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明实施例公开了一种水下双向数据高速传输系统，如图1和图8所示，包括水下采集传输平台、水上中转平台以及水上监控平台。
43.水下采集传输平台使用两路光纤通道与水上中转平台进行数据双向传输，每路光纤通道皆可以进行全双工的数据通信。水下数据采集传输平台将采集的水下环境信息经缓存、编码等处理，打包并通过光纤发送至水上中转平台。
44.水上中转平台使用千兆以太网与水上监控平台进行通信。水上中转平台首先通过光纤接收水下采集传输平台打包发来的数据，然后将数据进行解析、缓存、编码等处理，最后，通过千兆以太网将各类监测数据统一传送至水上监控平台。
45.水上监控平台不仅可以实时监测、保存水下环境信息，还可以向水下发送控制指令，控制指令首先通过千兆以太网发送至水上中转平台，然后再由光纤传输至水下采集传输平台，最后由水下采集传输平台进行指令解析，根据指令解析的内容从而完成各种不同的操作。
46.本发明采用模块化设计，系统各部分可单独进行调试，当某一部件出现问题时，方便拆卸更换。
47.本实施例中，如图1所示，水下采集传输平台作为其他两个平台的数据来源，主要是采集水下相机和各种传感器的源数据传送至水上，同时时刻准备接收水上监控平台下发的控制指令，并按照控制指令直接控制水下外部设备。具体包括水下主控模块、相机模块、传感数据采集模块、水下光纤传输模块以及水下电源模块；相机模块用于采集水下视频图像；传感数据采集模块用于采集水下环境传感数据；水下光纤传输模块用于与水上中转平台进行双向传输；水下主控模块用于控制水下环境信息的采集、上传以及根据控制指令实现对水下设备的控制；水下电源模块用于为水下主控模块和传感数据采集模块提供电源。
48.如图2所示，水下采集传输平台采用fpga+stm32的工作方式。其中，主控芯片选用artix-7系列xc7a200t型号的fpga；fpga系统的启动镜像存储芯片选用n25q128型号的flash；传感器数据采集板卡芯片选用stm32f103；传感器件选用有水听器、深度传感器、温度传感器、姿态传感器、浊度传感器，也可扩展添加常用接口类型的传感器；相机模块选用水下cmos相机；水下光电转换模块选用支持热插拔的axs13-192-10sfp+光模块。
49.如图3所示，传感器数据采集模块使用stm32编程实现，其余软件设计使用vivado设计套件进行开发，采用verilog语言进行各模块的逻辑设计。stm32先进行各类传感数据的采集，fpga芯片控制采集水下相机数据、stm32采集的传感数据及其他，然后将数据打包并通过水下光纤传输模块的电-光转换处理为光信号发送至水上，另外，还要通过水上光纤传输模块的光-电转换处理，接收水上中转平台传来的控制指令并产生相应动作，水下光纤传输模块为两路光纤，每路光纤皆可进行全双工的数据通信，其中高清视频发送占用一路
光纤，传感数据发送与水下控制指令接收共用一路光纤。
50.在本实施例中，如图1所示，水上中转平台作为系统传输过程中的关键桥梁，不但要接收并解析水下采集传输平台发来的数据，并转换为电信号后上传至水上监控平台，并且还要接收水上监控平台下发的控制指令，转换为光信号后传输至水下采集传输平台。具体包括水上主控模块、水上光纤传输模块、数据缓存模块、千兆以太网传输模块以及水上电源模块；水上光纤传输模块用于与水下光纤传输模块进行双向传输；水上主控模块用于对水下环境信息和控制指令进行分析，对水下环境信息缓冲后发送至千兆以太网传输模块，对以太网格式发来控制指令数据进行解包；数据缓存模块用于存储水下环境信息；千兆以太网传输模块用于与水上监控平台进行双向传输；水上电源模块用于为水上主控模块和数据缓存模块提供电源。
51.如图4所示，水上中转平台的主控芯片选用artix-7系列xc7a200t型号的fpga；数据缓存模块的两片ddr3均选用mt41j256m16ha-125芯片，这里选用两片ddr3，其目的用于将一个内存地址对应16bit数据扩展为一个内存地址对应32bit数据，用于缓存视频数据；fpga系统的启动镜像存储芯片选用n25q128型号的flash；千兆以太网选用ksz9031rnx以太网phy芯片；水上光电转换模块选用支持热插拔的axs13-192-10sfp+光模块。
52.如图5所示，水上中转平台首先接收来自水下采集传输平台中相机、各类传感器采集的监测数据；然后，通过光-电转化处理后，借助fifo将视频和传感数据分别保存于ddr3和片上ram中，片上ram属于fpga主控芯片内部自己生成的ip核；最后，通过千兆以太网将检测数据统一打包传输至水上监控平台。另外，水上中转平台还需接收水上监控平台下发的控制指令，并将指令通过电-光转换处理为光信号下发至水下采集传输平台。
53.在本实施例中，如图1、6所示，水上监控平台作为整个水下数据传输系统的数据接收末端，负责接收水上中转平台上传的水下数据；同时，作为用户操作端，也负责水下设备控制命令的发送。包括监控界面、网络通信模块、视频监控模块、传感数据监控模块、控制指令下发模块，网络通信模块用于与千兆以太网传输模块进行双向通信；视频监控模块用于对水下视频图像进行监控以及实时录制；传感数据监控模块用于对水下环境传感数据进行监控以及存储；监控界面用于平台的整体布局和组件摆放；控制指令下发模块用于下发控制指令。
54.水上监控平台是基于mfc框架进行设计的，其中，界面线程属于主线程，而网口通信、视频监控等线程则属于工作线程。整个界面可同时进行视频显示、传感数据显示以及控制指令发送，另外，还可对视频进行实时录制(opencv)以及传感数据的储存(mysql)。
55.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
56.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。