一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置制造方法及图纸

一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，涉及水声通信技术，该装置包括水上监控管理平台和水下信息收发节点两个部分，根据潜水员水下作业的环境和基本特征，将真人发布的语音信息通过训练阶段预先存储，并将语音信息命令规格化处理为有效标准信息，采用水声通信中的TFSK时频调制技术进行传输，在保证信息可靠传输和鲁棒性的同时，通过回放预先存放的语音，保证潜水员便捷直观可靠地接收信息，达到对水下潜水员安全监控管理的目的。该装置以基于Cortex M4的STM32高性能的数字信号控制器为核心处理器，系统具有实现简单便捷、功耗低、性价比高等特点。此装置可应用于潜水娱乐、水下救援、海洋牧场等应用场景。

A safety monitoring and management device for underwater operation of divers

【技术实现步骤摘要】
一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置
本专利技术涉及水声通信技术，尤其是涉及一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置。
技术介绍
近年来，潜水产业在世界范围内呈现稳步增长的趋势，水下环境复杂多变，并时常伴随着极大的危险，但潜水员在水下作业普遍采用手势进行水下交流，采用信号绳与水面进行交流，此类方式很大程度上会受水下环境影响，并会影响潜水员灵活性及活动范围，由此将导致潜水员安全风险增加，在遇到危险时难以进行有效信号传输，容易引发安全事故。目前，水上与水下的无线通信最有效的手段是水声通信。根据水声信道(即海洋环境)的时变、频变和空变特性，水声通信信息传输速率的提高成为一个瓶颈。水声通信信息的调制体制随着应用场景和需求的不同，有不同的调制方式。非相干调制技术适合信息速率要求不高，而信息传输可靠性要求较高的场合；相干调制(QPSK调制)、多载波技术(如OFDM传输)适用于高速率的信息传输场合，但其传输可靠性相对较差。为了在提高信息传输速率的同时，提高其传输的可靠性，出现了MIMO-OFDM传输体制，但其是以牺牲系统设备的复杂性为代价。对于水下语音传输，通常首先采用语音压缩技术将其压缩至速率较低，之后采用OFDM调制，经过水声信道后利用信号处理及语音解压缩技术将其还原为原始的语音信号。这种方式虽然可以完成水声语音通信功能，但由于语音压缩为有损压缩，其还原的语音信号质量等级难以保证；同时，由于水声信道的变化，OFDM通信系统的可靠性和鲁棒性也将面临严峻的考验。对于人的生理参数检测，目前采用比较多的是检测心电图参数和血样饱和度参数，主要采用传统的红外光技术，医用电极技术等传感检测方法，利用数字信号处理(DSP)技术进行处理。此方法虽然可利用DSP提高算法处理精度，但作为水下作业的潜水员穿戴设备，直观性差且其功耗大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述潜水员水下作业的问题，提供水下作业的便捷、安全与灵活，可用于水面管理人员对潜水员水下作业安全管理监测的一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置。本专利技术包括水上监控管理平台和水下信息收发节点两个部分，水上监控管理平台部分包括接收信号预处理模块、声发射模块、语音录放模块、显示报警模块、核心处理器模块和电源模块；水下信息收发节点部分包括：接收信号预处理模块、声发射模块、传感器及指令处理模块、显示及耳机播放模块、核心处理器模块和电源模块；水上监控管理平台和水下信息收发节点都采用半双工通信方式。所述水上监控管理平台和水下信息收发节点的接收信号预处理模块、声发射模块、核心处理器模块等，用于水上监控管理平台和水下信息收发节点两部分的信息发射和接收处理等功能；所述语音录放模块是水上监控管理平台用于对潜水员水下作业语音信息的预先训练与存储；所述电源模块分别用于对水上监控管理平台和水下信息收发节点装置的供电。所述显示报警模块是水上监控管理平台对所接收的水下信息的发布与警示；所述传感器及指令处理模块是水下信息收发节点用于对水下环境信息以及潜水员发布信息的预处理；所述显示及耳机播放模块是水下信息收发节点供潜水员查看和收听水上监控管理平台发布的管理命令信息。该潜水员水下作业的安全监控管理装置，潜水员在水下作业前通过安全培训训练环节将自己真实语音通过语音录放模块收录到存储器中。在水下作业期间，水上监控管理平台可根据接收的相关水下信息，找到对应潜水员的真人语音进行播报；同时，水下信息收发节点亦可根据接收到的水上监控管理平台的命令信息播报相应的管理员真人语音命令信息。所述核心处理器模块的信道分析模块通过采集分析来自水声换能器的接收信号，以此获得水声信道的噪声功率、多径时延等参数，即海洋环境的相关参数，以此调整本装置的相关系统参数，包括接收预处理模块的信号放大倍数、数字信号处理器的同步处理和检测阈值等。所述水下信息收发节点部分包括传感器及指令处理模块。所述传感器包括前端可穿戴传感器，其中所用可穿戴传感器心率血压脉搏传感器，防水高精度压力传感器和加速度计陀螺仪用于检测人体心率、血氧浓度、水下环境压强、人体姿态。所述传感器为自动调频传感器，可根据实际需求调节传感器工作频率以降低功耗；其中指令处理模块是手势传感信息与事先存储的作业应答和呼救等信息相对应，作业应答和呼救等信息存储于指令处理模块内，所述传感器及指令处理模块将获取的传感和指令信息，传送到核心处理器模块进行信息调制，使得手势传感信息与存储的作业应答和呼救等信息相对应。水下信息收发节点部分的显示模块及耳机播放模块；所述显示模块采用低功耗OLED显示器，佩戴在潜水员手腕处，设定自动息屏，降低功耗。显示器用于显示各项传感器测量参数及水下活动信息、水上发送指令信息，传感器参数及水下活动信息包括血压、心率、深度、潜水时间、剩余氧气等信息；耳机播放模块采用头戴式骨传感耳机，用于播放事先存储水上监控管理平台的管理员的指令语音信息。当接收到水上监控管理平台指令时手腕显示模块进行振动提醒，并显示消息，耳机播放模块播放相应的指令语音信息。所述水上监控管理平台的显示报警模块，用于实时显示潜水员发出的水下信息指令以及各类可穿戴传感器监测参数，所述水上监控管理平台将训练存储的十五种潜水员的水下信息指令语音，在显示器显示相应信息指令的同时，扬声器播放水下潜水员的作业信息或求救的真人语音信息。水上监控管理平台可根据当天的海洋环境等经验信息对水下各相关参数设定安全阈值，一旦参数超过安全阈值则进行语音报警。所述接收信号预处理模块，用于对接收到的微弱水声信号进行放大滤波相关处理，其中包括高精度放大和AGC电路，AGC电路为自动增益控制电路，具体方法为第一级AGC+滤波器+第二级AGC的处理方式，此模块分别包括在水上监控管理平台和水下信息收发节点两个部分中。所述声发射模块，包括功率放大器、收发切换开关电路和收发合置水声换能器，以保证该装置的半双工方式，此模块分别包括在水上监控管理平台和水下信息收发节点两部分中，所述水声换能器为收发合置球形换能器，其工作中心频率为30KHz。核心处理模块包括以基于CortexM4内核的STM32高性能的数字信号控制器为核心的信号处理部分和信道分析模块，信号处理部分一方面用于完成接收信号预处理模块的模拟信号到数字信号的转换A/D、信号同步、信息解调、信道译码、储存数据、显示及音频播放控制等；另一方面用于将水下信息收发节点的信息指令和传感参数或者水上监控管理平台下发到水下的指令信息进行信息调制，信道编码和同步处理后经过数字到模拟信号转换D/A后经由声发射模块发射到水声信道。所述信息调制方式采用时频调制(TFSK)或其他信号调制，其他信号调制包括Chirp调制，扩频调制等，相应的信息解调采用FFT谱分析方法或相关处理方法进行解调；所述模数转换A/D、数模转换D/A功能采用SOC控制器集成的ADC/DAC模块；所述存储数据功能采用SOC控制器集成的片上存储器。所述信号同步分为粗同步及细同步两个过程，粗同步过程采用完全相同的两段时间较短的Chirp信号1，即线性调频信号(LFM1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：该装置包括水上监控管理平台和水下信息收发节点，所述水上监控管理平台用于收发水下信息，水下信息收发节点为穿戴设备，用于向水上监控管理平台发布潜水员的身体状况信息、周围环境状况以及求救信息，水上监控管理平台包括接收信号预处理模块、声发射模块、语音录放模块、显示报警模块、核心处理器模块和电源模块，所述接收信号预处理模块、声发射模块、语音录放模块和显示报警模块与核心处理器模块连接，水下信息收发节点包括接收信号预处理模块、声发射模块、传感器及指令处理模块、显示及耳机播放模块、核心处理器模块和电源模块；所述接收信号预处理模块、声发射模块、传感器及指令处理模块和显示及耳机播放模块与核心处理器模块连接，所述电源模块各自为水上监控管理平台和水下信息收发节点供电；所述水上监控管理平台和水下信息收发节点采用半双工通信方式。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：该装置包括水上监控管理平台和水下信息收发节点，所述水上监控管理平台用于收发水下信息，水下信息收发节点为穿戴设备，用于向水上监控管理平台发布潜水员的身体状况信息、周围环境状况以及求救信息，水上监控管理平台包括接收信号预处理模块、声发射模块、语音录放模块、显示报警模块、核心处理器模块和电源模块，所述接收信号预处理模块、声发射模块、语音录放模块和显示报警模块与核心处理器模块连接，水下信息收发节点包括接收信号预处理模块、声发射模块、传感器及指令处理模块、显示及耳机播放模块、核心处理器模块和电源模块；所述接收信号预处理模块、声发射模块、传感器及指令处理模块和显示及耳机播放模块与核心处理器模块连接，所述电源模块各自为水上监控管理平台和水下信息收发节点供电；所述水上监控管理平台和水下信息收发节点采用半双工通信方式。


2.根据权利要求1所述一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：所述水上监控管理平台和水下信息收发节点的核心处理器模块设有信号处理模块和信道分析模块，所述声发射模块设有功率放大器、匹配器、收发切换开关和水声换能器，功率放大器和收发切换开关与核心处理器模块连接，匹配器与功率放大器和收发切换开关连接，收发切换开关与功率放大器、接收信号预处理模块和水声换能器连接。


3.根据权利要求1所述一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：所述语音录放模块内存储有潜水员在水下作业前安全培训训练环节的真人语音命令信息和管理员真人语音命令信息，所述水下信息收发节点能够根据接收到的水上监控管理平台的命令信息播报相应的管理员真人语音命令信息，所述语音命令信息为规格化处理的有效标准信息。


4.根据权利要求1所述一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：所述传感器及指令处理模块包括前端可穿戴传感器和后端信息模块，所述可穿戴传感器包括心率血压脉搏传感器、防水高精度压力传感器和加速度计陀螺仪，所述传感器为自动调频传感器，所述指令处理模块将手势传感信息与事先存储的作业、应答和呼救信息对应，所述传感器及指令处理模块与核心处理器模块信号连接，实现传感器的手势传感信息通过核心处理器模块与指令处理模块内的信息相对应。


5.根据权利要求1所述一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：所述核心处理器模块为基于CortexM4内核的STM32高性能的数字信号控制器，所述显示及耳机播放模块的显示模块采用低功耗OLED显示器，并内设有振动器佩戴于潜水员手腕处，耳机播放模块采用头戴式骨传感耳机。


6.根据权利要求1所述一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：所述水上监控管理平台和水下信息收发节点的接收信号预处理模块设有AGC电路和滤波器，具体由AGC+滤波器+AGC构成。


7.根据权利要求1所述一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于：所述核心处理器模块的信号处理部分接收信号预处理模块的模拟信号到数字信号的转换A/D、信号同步、信息解调、信道译码、储存数据、显示及音频播放控制，并将水下信息收发节点的信息指令和传感参数或者水上监控管理平台发至水下的指令信息进行信息调制、信道编码和加入同步信号后形成发送信号帧，经过数字到模拟信号转换D/A，再经由声发射模块发射到水声信道，所述信息调制方式采用TFSK、Chirp调制或扩频调制，信息解调采用FFT谱分析方法进行解调；所述模数转换A/D、数模转换D/A功能采用SOC控制器集成的ADC/DAC模块；所述存储数据功能采用SOC控制器集成的片上存储器。


8.根据权利要求1～7中任意一项所述一种用于潜水员水下作业的安全监控管理装置，其特征在于，包括以下工作方式：
1)准备工作
通过语音录放模块对潜水员水下作业语音信息的预训练与存储，并存储管理员真人语音命令信息；训练手势指令，实现传感器及存储器模块的手势传感信息与事先存储的作业、应答和呼救命令信息相对应；根据当天的海洋环境等经验信息对水下各相关参数设定安全阈值；
2)水下信息收发节点向...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓毅，卢杰，周宁，瞿纪杰，王德清，岳蕾，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35