基於可見光的艇艦環境監測方法
2023-09-13 07:59:22
1.本發明屬於可見光技術領域，涉及一種基於可見光的艇艦環境監測方法。
背景技術：
2.艦艇內部由於環境封閉，一旦有火災發生後果將會不容樂觀，目前常用的火災監測系統在火情蔓延初期可以對艙內人員起到提醒作用，但由於現有探測器大部分停留於明火檢測模式，即只有與明火產生接觸後才能開始報警，並且即使檢測到也並不能感應出當前火災發展的態勢如何，這使得對於火災感知的靈敏度還有著改進的空間。
3.可見光通信可以為艦艇內部通信提供新的室內無線傳輸方式，並成為艦艇內部通信系統對接單兵通信裝備的有效途徑。艦艇內的艙室空間相對密閉狹窄，且各艙室間對無線信號的阻隔比較嚴重，運用wifi技術構建無線網絡傳輸的方式難以實現，因此艙室內基本靠安裝有線電話、布線廣播、警鈴等裝置傳遞信息、指令等，單兵智能裝備在艙室通過無線通信方式連接效果較差，而可見光通信卻能夠通過照明電路的改造，便於構建可見光無線網絡環境，為艦艇內火災預防提供一種可行的方法。
4.因此，研製一種將可見光通信與艦艇的火災預警系統結合，利用可見光信號衰減量判斷環境中煙霧存在狀況的方法，成為目前亟需解決的問題。
技術實現要素：
5.本發明的目的是提供一種基於可見光的艇艦環境監測方法，解決了現有技術中在艙室通過無線通信方式連接效果較差，火災報警不夠及時的問題。
6.本發明採用的技術方案是，一種基於可見光的艇艦環境監測方法，採用一種監測裝置，按照以下步驟實施：
7.步驟1，布置監測裝置，
8.先將若干個led燈具分別安裝在艦艇內部艙室的天花板或者牆壁上，同時，將接收端固定在需要定位的不同艙室以及不同位置上，距離對應的各個led燈具的距離不同，光強與接收端的具體位置存在固定的映射關係；
9.步驟2，實施艦艇內部的環境監測，
10.監測裝置連接好後通電啟動，供電電路模塊向控制電路模塊提供直流電，控制發光二極體進行照明，脈衝信號發生器通過控制電路模塊使不同的發光二極體的閃動頻率不同，每一個led燈具都具備自己的光強度；接收端接收所對應的led燈具的光信號信息，光電轉換模塊將這些光信號信息轉化為電信號，採樣放大模塊將電信號放大和採樣，模數轉換器再轉換為數位訊號傳輸給嵌入式處理器，嵌入式處理器通過比較當前接收光功率與閾值的大小關係，判斷是否有異常情況；
11.步驟3，實施報警，
12.藍牙發送端將判定結果發送到報警模塊以及顯示終端，顯示終端收到接收端發來的信息後，若產生煙霧，則將查找到相應的產生煙霧的位置信息，然後展示接收端在艦艇艙
內的具體位置，並在指揮網絡終端、可攜式計算機終端、單兵終端上同時發出警報並標示出位置；並且，無線傳感器會接收煙霧信息並報警，通過蜂鳴器發出警報，即成。
13.本發明的有益效果是，使用集成電路技術，將脈衝信號發生器、控制電路模塊和供電電路模塊集成在一塊電路板中，再將該電路板集成在球泡內，一是保證led燈具在艦艇上的穩定性，二是節省空間體積。與現有的技術相比，本發明方法採用的艦艇內可見光方式，集成度高、系統硬體成本低、低延遲、定位誤差小、誤差率小和容易搭建，還能滿足艦艇內的高亮度照明需求。
附圖說明
14.圖1是本發明方法中led燈具與接收端之間的安裝位置示意圖；
15.圖2是本發明方法中led燈具的內部結構示意圖；
16.圖3是本發明方法中接收端的內部結構示意圖；
17.圖4是本發明方法採用的無線網絡環境示意圖。
18.圖中，1.led燈具，101.發光二極體，102.控制電路模塊，103.供電電路模塊，104.脈衝信號發生器，2.接收端，201.光電轉換模塊，202.採樣放大模塊，203.模數轉換器，204.嵌入式處理器，205.藍牙發送端，206.報警模塊，3.顯示終端，4.指揮網絡終端，5.可攜式計算機終端，6.單兵終端，7.無線傳感器。
具體實施方式
19.下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
20.可見光具有頻率較高、波長較短的特點，當光信號進行傳播時無法繞過障礙物，在室內光通信系統中，可見光的穿透性差，很容易受到空氣中煙霧遮擋的影響，由於火災初期產生的煙霧顆粒是由許多細小的單個主粒子構成，煙霧粒子與光相互作用主要表現在煙霧粒子的反射、折射、散射和吸收作用，可見光在煙霧粒子中的傳播會產生光輻射的衰減，即對光輻射的散射和吸收。由於散射和吸收現象的存在，當可見光通過煙霧顆粒這類非均勻介質時，可見光的能量衰減，通過接收端就會分析出光信號的衰減程度。
21.在一定距離處分別安置可見光光源與相應的接收端，當煙霧產生時，由於可見光光源與光信號接收端固定安置並且相互間保持一個固定距離，煙霧進入所安置的發光元件和光信號接收端之間的區域就會造成光線減弱，對比煙霧產生前後接收端測得的光功率強度與預定閾值的大小關係即可定量得出煙霧的形態，並通過光功率的衰減量大小感知當前火災發展的態勢，再通過連接無線傳感器就會對火災位置進行定位及報警。
22.本發明基於可見光的艇艦環境監測方法，採用一種監測裝置，其結構是：包括若干led燈具1、接收端2和顯示終端3；
23.參照圖2，每個led燈具1的球泡內均設置有發光二極體101和一個電路板，該電路板中集成有控制電路模塊102、供電電路模塊103和脈衝信號發生器104，脈衝信號發生器104的輸出端和供電電路模塊103的輸出端分別接入控制電路模塊102中，控制電路模塊102的輸出端再與發光二極體101信號連接；
24.控制電路模塊102中設有電子開關一，該電子開關一與發光二極體101電連接，脈衝信號發生器104產生的脈衝信號進入控制電路模塊102中，通過電子開關一來控制led燈
具1的亮滅，改變發光二極體101的實際功率，實現led燈具1的高頻閃動控制，可見光快速閃爍時可以實現信息的傳輸，當接收端2接收到閃爍的燈光時，可以解調出發射端傳輸的信息，並且也照顧了人眼在可見光通信下的照明體驗。每個led燈具1發出的光信號信息均不相同，光信號信息是光強和燈光的閃動頻率。供電電路模塊103用於向控制電路模塊102提供直流電，保證電源的穩定供電，有利於大功率的led燈具1的穩定運行；供電電路模塊103通過球泡內部預留的過線孔與外部電源連接，選用導熱矽脂、導熱銀膠將導線貼合固定，還有助於散熱。
25.參照圖3，接收端2包括依次連接的光電轉換模塊201、採樣放大模塊202、模數轉換器203、arm的嵌入式處理器204、藍牙發送端205、報警模塊206；其中，光電轉換模塊201用於接收led燈具1發出的光信號信息並將光信號轉化為電信號；採樣放大模塊202用於將電信號進行採樣放大；模數轉換器203用於轉換為數位訊號，將數位訊號經嵌入式處理後轉換為串口信號，以便容易被嵌入式單片機處理；嵌入式處理器204(型號為stm32)用於分析當前接收到的光功率與閾值的大小關係，得到串口信號(即處理結果)；藍牙發送端205用於將串口信號以特定的波特率發送到顯示終端3以及報警模塊206；報警模塊206包含無線傳感器7和蜂鳴器，設有電子開關二，報警模塊206收到串口信號後發出報警鈴聲。
26.顯示終端3包括依次連接的藍牙接收端、存儲模塊、查找模塊以及顯示模塊；其中，藍牙接收端與藍牙發送端205相互通訊連接，用於接收來自接收端2發來的串口信號；存儲模塊用於存儲不同的電信號與艦艇內空間的不同位置的映射關係；查找模塊分別與藍牙接收端和存儲模塊電連接，用於根據接收端2發來的電信號從存儲模塊中查找相應的產生煙霧的位置信息；顯示模塊與查找模塊電連接，用於顯示產生煙霧的位置信息。
27.參照圖4，是在本發明實施例中，通過led燈具1作為照明電路構建可見光無線網絡系統，為顯示終端3和無線傳感器7提供網絡環境；顯示終端3包括下屬的指揮網絡終端4、可攜式計算機終端5以及單兵終端6，根據環境設置符合需求的終端全部或之一，用於為艦艇內工作人員顯示環境監控情況。無線傳感器7用於對環境異常情況進行判定決定是否報警。光電轉換模塊201優選為藍光光電二極體。控制電路模塊102還包括金屬-氧化物半導體場效應電晶體，所述金屬-氧化物半導體場效應電晶體的型號為irf640。脈衝信號發生器104型號為8052單片機。
28.本發明基於可見光的艇艦環境監測方法，採用上述的監測裝置，按照以下步驟實施：
29.步驟1，布置監測裝置，
30.見圖1所示，先將若干個led燈具1分別安裝在艦艇內部艙室的天花板或者牆壁上，為了充分利用led燈具1，建議相鄰led燈具1之間的距離為1.5m～2.5m，例如每3m
×
3m的空間放置三個led燈具1；同時，將接收端2固定在需要定位的不同艙室以及不同位置上，距離對應的各個led燈具1的距離不同，以便接收到的光強不同，光強與接收端2的具體位置存在固定的映射關係；再將接收端2與顯示終端3連接好，
31.led燈具1作為光信號來源時，發射高度為h，發射角度為led燈具1作為光信號來源時，發射高度為h，發射角度為則接收端2的接收角度ψ的表達式為：
32.33.其中，d表示led燈具1與接收端2的距離，x表示led燈具1投影到地面的點與接收端2的距離，h表示接收端2與地面的距離，θ表示led燈具1與接收端2之間的連線與垂直方向的夾角。
34.步驟2，實施艦艇內部的環境監測，
35.監測裝置連接好後通電啟動，見圖2所示，供電電路模塊103向控制電路模塊102提供直流電，控制發光二極體101進行照明，脈衝信號發生器104通過控制電路模塊102使不同的發光二極體101的閃動頻率不同，這樣一來每一個led燈具1都具備自己的光強度，以便增加艦艇內各個位置的光強差異；接收端2接收所對應的led燈具1的光信號信息，光電轉換模塊201將這些光信號信息轉化為電信號，採樣放大模塊202將電信號放大和採樣，模數轉換器203再轉換為數位訊號傳輸給嵌入式處理器204，嵌入式處理器204通過比較當前接收光功率與閾值的大小關係，判斷是否有異常情況，
36.閾值的測定方法如下：
37.每個led燈具1以最小光功率向最近的接收端2發送可見光，接收端2將接受到的可見光轉化為電流，測量得到最小電流i0，經過長時間觀測確定在沒有產生煙霧的正常情況下環境光產生的光電流di，當led燈具1以最小光功率向接收端2發送信號時，則接收端2接收到的光功率在[i0，i0+di]，當艦艇內某個位置產生煙霧時，接收端2接收到的光電流變小，則接收端2的接收功率也會變小，所述閾值採用以下公式結合led光源的設置情況得到，當低於某個閾值時，即認為煙霧已經產生；如果有煙霧產生時，根據郎伯模型，可見光在受煙霧遮擋時傳輸的系統信道增益h(0)
los
為：
[0038][0039]
其中，m是led的輻射方向性指數，a是光學集中器0
°
所對應的增益，ts(ψ)是光學濾波器的增益，g(ψ)是光學集中器的增益，ψc是接收器視場角，τ(d)是光的透射率，空氣中煙霧引起的光信號衰減表示為τ(d)＝exp(-μd)，μ是衰減係數，此時，接收端2的接收功率p
τ
的表達式為：
[0040][0041]
其中，p
t
是發射光功率；
[0042]
步驟3，實施報警，
[0043]
藍牙發送端205將判定結果發送到報警模塊206以及顯示終端3，顯示終端3收到接收端2發來的信息後，若產生煙霧，則將查找到相應的產生煙霧的位置信息，然後通過坐標表示法、平面視圖表示法或者三維視圖表示法的方式展示接收端2在艦艇艙內的具體位置，並在指揮網絡終端4、可攜式計算機終端5、單兵終端6上同時發出警報並標示出位置；並且，無線傳感器7會接收煙霧信息並報警，通過蜂鳴器發出警報，即成。