CN117554299B - 一种可见光通信水质监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光通信水质监测方法，包括发射单元和接收单元，分别位于待测水体两侧，所述发射单元用于发射信号，所述接收单元用于接收信号，还包括信号发射、信号转换、信号解码和比对确定水质等级。本发明通过计算待测水体对光线信道增益，进而与预设的10个等级水质的水体质量系数比对，快速得出待测水体的水质，从而实现对采矿池水体浑浊程度进行监测，同时采用降噪方式提高监测精度和可靠性，能够显著降低环境光照等因素对***的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及水质检测领域，尤其涉及一种可见光通信水质监测方法。
背景技术
铁矿采矿池等场地对于水质监测有着较为严格的要求，较为常见的场景是对不同深度下水体的浑浊程度进行统计，并在浑浊度异常时进行预警。常见的基于PH计、电导率计或基于化学分析的方法无法实现快速精准的对采矿池水体浑浊程度进行测量。可见光通信是一种新型的通信方式，使用可见光通信信号进行水质监测，可以在提供一条水下无线通信链路的同时实现快速的水质监测功能。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种可见光通信水质监测方法。
本发明提供一种可见光通信水质监测方法，包括发射单元和接收单元，分别位于待测水体两侧，所述发射单元用于发射信号，所述接收单元用于接收信号，还包括如下步骤：
S1、信号发射，所述发射单元将信号进行编码、调制，经由LED驱动电路将信号以光信号形式从LED发射；
S2、信号转换，所述接收单元接收经过待测水体的信号，首先对原始信号进行采样以获得原始数据，将所述原始数据按特定阈值进行高低电平划分转化为二进制数据；对所述二进制数据进行傅里叶变换，提取出所述二进制数据的直流分量强度和交流分量强度；再将交流分量强度与直流分量强度做加和，即得到在当前水质信道下的信号变化范围中值；
S3、信号解码，将所述二进制数据去除帧头后进行解码，即获取发射单元所发射原始信号，从而实现可见光通信；
S4、比对确定水质等级，将原始数据进行傅里叶展开后的交流信号强度与发射单元发出的在进入待测水体前的信号强度进行计算得出的待测水体对光线信道增益，再与预设的水质等级进行对比，得到待测水体的水质等级。水体对光线信道增益计算公式：
上式中为水体对光线信道增益；
为接收信号功率；
为发射信号功率；
为接收端面积；
为发射端与接收端间距。
优选地，所述直流分量包含所述发射单元所发射的信号的直流分量与部分环境直流光照噪声，所述交流信号为所述发射单元发射信号的交流分量。
优选地，所述预设的水质等级为10个等级，依据水体质量系数进行划分：
水体质量系数为
上式中纯净水环境对光线信道增益/>为当前测量信道增益，
水体质量系数k为90%-100%，则水质为纯净级水质1级；
水体质量系数k为80%-90%，则水质为纯净级优等水质2级；
水体质量系数k为70%-80%，则水质为3级；
水体质量系数k为60%-70%，则水质为4级；
水体质量系数k为50%-60%，则水质为5级；
水体质量系数k为40%-50%，则水质为6级；
水体质量系数k为30%-40%，则水质为7级；
水体质量系数k为20%-30%，则水质为8级；
水体质量系数k为10%-20%，则水质为9级；
水体质量系数k为10%以下，则水质为10级，
以上数字区间为左开右闭区间。
优选地，所述编码采用曼彻斯特编码或者4B6B编码，所述解码为曼彻斯特解码或者4B6B解码。
优选地，所述调制为OOK(On-Off Keying)或者VPPM。
优选地，所述采样的采样率为100KHz采样，采样窗口使用循环数组，长度为1024bits。
优选地，所述信号转换之前，先对信号进行放大，然后进行数字滤波处理。
本发明的有益效果：
本发明的一种可见光通信水质监测方法，使用时待测水***于发射单元与接收单元之间，发射单元将数据经过编码、调制后，以特定频率通过LED发射，接收单元接收来自发射单元的光信号，并对原始信号进行放大、滤波、解调，以实现可见光无线通信。同时，接收单元对滤波后信号强度进行计算，以确定位于发射单元与接收单元之间待测水体对可见光的衰减作用强度，进而得到待测水质信息。本发明能够对采矿池水体浑浊程度进行监测，同时采用降噪方式提高监测精度和可靠性，能够显著降低环境光照等因素对***的干扰。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是本发明一种可见光通信水质监测方法的***结构示意图；
图2是本发明一种可见光通信水质监测方法的曼彻斯特编码示意图；
图3是本发明一种可见光通信水质监测方法的数据帧格式示意图；
图4是本发明一种可见光通信水质监测方法的idle帧结构示意图；
图5是本发明一种可见光通信水质监测方法的发射单元LED闪烁模式示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1-5所示，本发明一种可见光通信水质监测方法，包括发射单元和接收单元，分别位于待测水体两侧，发射单元用于发射信号，接收单元用于接收信号，还包括如下步骤：
S1、信号发射，发射单元将信号进行编码、调制，经由LED驱动电路将信号以光信号形式从LED发射；
S2、信号转换，接收单元接收经过待测水体的信号，首先对原始信号进行采样以获得原始数据，将原始数据按特定阈值进行高低电平划分转化为二进制数据；对二进制数据进行傅里叶变换，提取出二进制数据的直流分量强度和交流分量强度；再将交流分量强度与直流分量强度做加和，即得到在当前水质信道下的信号变化范围中值；
S3、信号解码，将二进制数据去除帧头后进行解码，即获取发射单元所发射原始信号，从而实现可见光通信；
S4、比对确定水质等级，将原始数据进行傅里叶展开后的交流信号强度与发射单元发出的在进入待测水体前的信号强度进行计算得出的待测水体对光线信道增益，再与预设的水质等级进行对比，得到待测水体的水质等级。水体对光线信道增益计算公式：
上式中为水体对光线信道增益；
为接收信号功率；
为发射信号功率；
为接收端面积；
为发射端与接收端间距。
通过上式确定位于发射单元与接收单元之间待测水体对可见光的衰减作用强度，进而得到待测水质信息，操作简单便捷，可靠性高。
优选地，直流分量包含发射单元所发射的信号的直流分量与部分环境直流光照噪声，交流信号为发射单元发射信号的交流分量，并且预设的水质等级依据依据水体质量系数进行划分：
水体质量系数为
上式中纯净水环境对光线信道增益/>为当前测量信道增益。
当水体质量系数k为90%-100%，则水质为纯净级水质1级；
水体质量系数k为80%-90%，则水质为纯净级优等水质2级；
水体质量系数k为70%-80%，则水质为3级；
水体质量系数k为60%-70%，则水质为4级；
水体质量系数k为50%-60%，则水质为5级；
水体质量系数k为40%-50%，则水质为6级；
水体质量系数k为30%-40%，则水质为7级；
水体质量系数k为20%-30%，则水质为8级；
水体质量系数k为10%-20%，则水质为9级；
水体质量系数k为10%以下，则水质为10级，以上数字区间为左开右闭区间。通过预设的水质等级信息与待测水质信息比对，快速得到待测水质等级。
编码采用曼彻斯特编码或者4B6B编码，解码为曼彻斯特解码或者4B6B解码，调制为OOK或者VPPM，采样的采样率为100KHz采样，采样窗口使用循环数组，长度为1024bits；在信号转换之前，先对信号进行放大，然后进行数字滤波处理，排除环境干扰，提高采样样本的多样性，进一步提高检测数据的可靠性。
在发射单元,对原始数据首先进行曼彻斯特编码以实现二进制转化和直流分量消除。曼彻斯特编码后的数据信号频谱更加集中,便于后续对信号进行数字滤波处理。曼彻斯特编码表如图2所示。之后,依据通信所需协议，为数据添加帧头，封装为数据帧。数据帧格式示意图如图3所示，帧头长度为3bit，数据段长度为8bit。将数据帧经过OOK(On-OffKeying)调制，并以10K symbols/s符号率使用LED驱动电路进行发射。通过控制LED的点亮与熄灭状态来传输调制后的信号,从而实现了可见光的数字信号调制。
在无通信数据情况下，发送端可视是否需要水质测量，选择关闭LED进行节能或发射idle帧进行水质测量。idle帧结构如图4所示，接收单元通过是否含有preamble帧头部区分数据帧与idle帧。加入idle帧后发射单元发射模式示意图如图5所示，数据与idle帧所占比例视具体发射单元产生数据量可能不同。
LED所发出的光信号经过待测水体信道后到达接收单元。接收单元首先对原始信号进行采样以获得原始数据。采样率通常设置为100KHz采样，采样窗口使用循环数组，长度为1024bits。每轮采样完成后，接收单元需要将原始光强度信号按特定阈值进行高低电平划分，以将原始信号转换为二进制数据。
由于水下开放环境信道不可控，信道增益与待测水质高度相关，为了能够正确对信号进行阈值分划，同时对水质进行测量，我们采用基于测量水质等级的动态阈值方案。在每轮采样完成后，接收单元对采样窗口中数据进行傅里叶变换。由于发射单元采用曼彻斯特编码方式与OOK调制，因此接收单元信号频谱较为集中，且发射信号频率已知，经过傅里叶变换后，我们可以提取出信号的直流分量强度与交流信号强度。其中直流分量包含发射机所发射的信号直流分量与部分环境直流光照噪声，交流信号为发射机发射信号的交流分量。变换完成后，接收单元提取信号所在频率强度峰值，以获取信号平均功率。将频域交流分量强度与直流分量强度做加和，即可得到在当前水质信道下的信号变化范围中值，从而实现不同水质下的动态阈值。之后根据该阈值即可将原始信号划分为二进制数据。将数据去除帧头后进行曼彻斯特解码，即获取发射单元所发射原始数据，从而实现可见光通信。同时，由于发射单元所发射光信号经过待测水体作为信道后被接收单元接收，因此傅里叶展开后的交流信号强度与水质唯一对应，从而可以根据需求对水质进行等级划分。这里以划分10个水质等级为例，设接收机入水前信号强度等级为100%， 则信号强度等级100%-90%为纯净级水质1级，90%-80%为优等水质2级，以此类推，从而实现在水下可见光通信的同时，对水质进行快速判断与分级。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种可见光通信水质监测方法，其特征在于，采用一条水下无线通信链路实现快速水质监测功能，在水下可见光通信的同时，对水质进行快速判断与分级；
所述水下无线通信链路包括发射单元和接收单元，所述发射单元和接收单元分别位于待测水体两侧，所述发射单元用于发射信号，所述接收单元用于接收信号；
所述方法包括如下步骤：
S1、信号发射，所述发射单元将信号进行曼彻斯特编码以实现二进制转换和直流分量消除，之后，依据通信所需协议，为数据添加帧头，封装为数据帧；将数据帧经过OOK调制后，使用LED驱动电路将信号以光信号形式从LED发射，通过控制LED的点亮与熄灭状态来传输调制后的信号；
在无通信数据情况下，发射单元可视是否需要进行水质测量，选择关闭LED进行节能或发射idle帧进行水质测量，接收单元通过是否含有preamble帧头部区分数据帧与idle帧；
S2、信号转换，所述接收单元接收经过待测水体的信号，首先对原始信号进行采样以获得原始数据，所述采样的采样率为100KHz，采样窗口使用循环数组，长度为1024bits；
每轮采样完成后，接收单元对采样窗口中的数据进行傅里叶变换，提取出信号的直流分量强度和交流分量强度，其中，所述直流分量包含所述发射单元所发射的信号的直流分量与部分环境直流光照噪声，所述交流信号为所述发射单元发射信号的交流分量；再将交流分量强度与直流分量强度做加和，得到在当前水质信道下的信号变化范围中值，从而得到不同水质下的动态阈值，根据该阈值将原始信号划分为二进制数据；
S3、信号解码，将所述二进制数据去除帧头后进行曼彻斯特解码，获取发射单元所发射原始信号，从而实现可见光通信；
S4、比对确定水质等级，根据原始数据进行傅里叶展开后的交流信号强度与发射单元发出的在进入待测水体前的信号强度计算得出待测水体对光线的信道增益，再依据水体质量系数得到待测水体的水质等级；其中，水体对光线信道增益计算公式：
上式中为水体对光线信道增益；
为接收信号功率；
为发射信号功率；
为接收端面积；
为发射端与接收端间距；
所述 水体质量系数的计算公式为：
上式中为纯净水环境对光线信道增益,/>为当前测量信道增益。
2.如权利要求1所述的可见光通信水质监测方法，其特征在于，预设的水质等级为10个等级，依据水体质量系数进行划分：
水体质量系数k为90%-100%，则水质为纯净级水质1级；
水体质量系数k为80%-90%，则水质为纯净级优等水质2级；
水体质量系数k为70%-80%，则水质为3级；
水体质量系数k为60%-70%，则水质为4级；
水体质量系数k为50%-60%，则水质为5级；
水体质量系数k为40%-50%，则水质为6级；
水体质量系数k为30%-40%，则水质为7级；
水体质量系数k为20%-30%，则水质为8级；
水体质量系数k为10%-20%，则水质为9级；
水体质量系数k为10%以下，则水质为10级，以上数字区间为左开右闭区间。
3.如权利要求1所述的可见光通信水质监测方法，其特征在于，所述信号转换之前，先对信号进行放大，然后进行数字滤波处理。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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