本發(fā)明涉及一種波浪監(jiān)測(cè)設(shè)備，特別是一種智能手機(jī)波浪浮標(biāo)。

背景技術(shù)：

海洋科學(xué)是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的學(xué)科，海洋開(kāi)發(fā)具有戰(zhàn)略意義。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)，對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)尤其是海浪參數(shù)的監(jiān)測(cè)顯得很重要。

目前我國(guó)海洋技術(shù)和海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)比較落后，一方面許多海洋觀測(cè)站的海浪數(shù)據(jù)還是來(lái)源于觀測(cè)員的目測(cè)，觀測(cè)效果有折扣；另一方面近海海浪的監(jiān)測(cè)多采用波浪浮標(biāo)方法，雖然波浪浮標(biāo)是一種無(wú)人值守的自動(dòng)定點(diǎn)定時(shí)的對(duì)海面波浪的高度，波浪周期，波浪傳播方向等要素進(jìn)行遙測(cè)的小型浮標(biāo)測(cè)量系，但是專(zhuān)業(yè)波浪浮標(biāo)價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模部署。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種小體積、價(jià)格低、波向測(cè)量精度高的智能手機(jī)波浪浮標(biāo)。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明是一種智能手機(jī)波浪浮標(biāo)，該浮標(biāo)包括手機(jī)、外置電源和防水外殼，手機(jī)與外置電源固定安裝在防水外殼內(nèi)，手機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線與外置電源連接；所述手機(jī)上安裝有波浪監(jiān)測(cè)app，波浪監(jiān)測(cè)app包括調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器、加速度傳感器、磁場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)獲取模塊、進(jìn)行波浪參數(shù)計(jì)算的數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊和調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的郵件模塊進(jìn)行郵件發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸模塊；

（1）波高的測(cè)量

波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的加速度傳感器直接獲取運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的垂向加速度，數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊對(duì)垂向加速度進(jìn)行兩次時(shí)間積分計(jì)算出垂向位移，通過(guò)連續(xù)的位移獲得波浪的連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)位移數(shù)據(jù)采用上跨零點(diǎn)法，按照波高由大到小的順序排序，取總波數(shù)的三分之一個(gè)波的波高計(jì)算算術(shù)平均值，算出波高；

（2）波向的測(cè)量

以手機(jī)的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以手機(jī)的橫向?yàn)閤軸，手機(jī)的縱向?yàn)閥軸，手機(jī)的豎向?yàn)閦軸，建立笛卡爾坐標(biāo)（x，y，z）；規(guī)定手機(jī)與繞z軸、x軸和y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角為r1、r2和r3，當(dāng)手機(jī)屏幕水平向上時(shí)，手機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，r1為0-360度，正北為0或360度，r2和r3為-90-90度；波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器獲得r1、r2和r3，

令a=sin(r1)，b=sin(r2)，結(jié)合a和b的正負(fù)，計(jì)算arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)或arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)，算出波向；

（3）周期的測(cè)量

波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊每次進(jìn)行波高計(jì)算時(shí)，調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器把當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間存放在時(shí)間數(shù)組中，通過(guò)速度的方向判斷下次出現(xiàn)波峰或波谷的時(shí)間，并存放在時(shí)間數(shù)組中，計(jì)算時(shí)間數(shù)組中最后一個(gè)時(shí)間和前一個(gè)時(shí)間的差值并記錄，相加兩個(gè)連續(xù)記錄的差值計(jì)算出周期；

（4）波浪參數(shù)的發(fā)送

波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊按設(shè)定的時(shí)間段對(duì)該時(shí)間段內(nèi)的波浪的波高、波向和周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組儲(chǔ)存到文本文件中，然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的郵件模塊將儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的文本文件按照設(shè)置的郵件傳輸時(shí)間段分時(shí)段發(fā)送到預(yù)先設(shè)置的郵箱。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題還可以通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，所述手機(jī)為安卓智能手機(jī)。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題還可以通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，所述防水外殼為中空的全封閉扁圓柱體，圓柱體的直徑為20cm。

本發(fā)明利用手機(jī)替代傳統(tǒng)浮標(biāo)內(nèi)的電子設(shè)備，手機(jī)內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)替代之前電子設(shè)備內(nèi)部的電路機(jī)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)處理性能，降低了生產(chǎn)成本，并且實(shí)現(xiàn)全球化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸；波浪監(jiān)測(cè)app可調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的硬件進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，然后加以數(shù)學(xué)計(jì)算得出波浪的波高、波向和周期，并調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的郵件模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ㄠ]箱；此外，手機(jī)還配合有外置電源和防水外殼，提高了手機(jī)的續(xù)航能力，并且減少了該浮標(biāo)的體積。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的智能手機(jī)波浪浮標(biāo)將手機(jī)與防水外殼高度結(jié)合，減少了浮標(biāo)的體積和重量，在保證波浪參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量的前提下降低了浮標(biāo)的生產(chǎn)成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的程序執(zhí)行流程圖；

圖3為梯形積分法原理圖；

圖4為本發(fā)明正面向上建立的笛卡爾坐標(biāo)示意圖；

圖5為本發(fā)明的波向計(jì)算原理示意圖；

圖6為本發(fā)明的波向角計(jì)算原理圖。

具體實(shí)施方式

以下參照附圖，進(jìn)一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)方案，以便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步地理解本發(fā)明，而不構(gòu)成對(duì)其權(quán)利的限制。

參照?qǐng)D1-2，一種智能手機(jī)2波浪浮標(biāo)，該浮標(biāo)包括手機(jī)2、外置電源3和防水外殼1，手機(jī)2與外置電源3固定安裝在防水外殼1內(nèi)，手機(jī)2通過(guò)數(shù)據(jù)線與外置電源3連接；所述手機(jī)2上安裝有波浪監(jiān)測(cè)app，波浪監(jiān)測(cè)app包括調(diào)用手機(jī)2內(nèi)部的計(jì)時(shí)器、加速度傳感器、磁場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)獲取模塊、進(jìn)行波浪參數(shù)計(jì)算的數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊和調(diào)用手機(jī)2內(nèi)部的郵件模塊進(jìn)行郵件發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸模塊；

（1）波高的測(cè)量

波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機(jī)2內(nèi)部的加速度傳感器直接獲取運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的垂向加速度，數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊對(duì)垂向加速度進(jìn)行兩次時(shí)間積分計(jì)算出垂向位移，通過(guò)連續(xù)的位移獲得波浪的連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)位移數(shù)據(jù)采用上跨零點(diǎn)法，按照波高由大到小的順序排序，取總波數(shù)的三分之一個(gè)波的波高計(jì)算算術(shù)平均值，算出波高；

（2）波向的測(cè)量

以手機(jī)2的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，以手機(jī)2的橫向?yàn)閤軸，手機(jī)2的縱向?yàn)閥軸，手機(jī)2的豎向?yàn)閦軸，建立笛卡爾坐標(biāo)（x，y，z）；規(guī)定手機(jī)2與繞z軸、x軸和y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角為r1、r2和r3，當(dāng)手機(jī)2屏幕水平向上時(shí)，手機(jī)2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，r1為0-360度，正北為0或360度，r2和r3為-90-90度；波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機(jī)2內(nèi)部的加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器令a=sin(r1)，b=sin(r2)，結(jié)合a和b的正負(fù)，計(jì)算arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)或arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)，算出波向；

（2）周期的測(cè)量

波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊每次進(jìn)行波高計(jì)算時(shí)，調(diào)用手機(jī)2內(nèi)部的計(jì)時(shí)器把當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間存放在時(shí)間數(shù)組中，通過(guò)速度的方向判斷下次出現(xiàn)波峰或波谷的時(shí)間，并存放在時(shí)間數(shù)組中，計(jì)算時(shí)間數(shù)組中最后一個(gè)時(shí)間和前一個(gè)時(shí)間的差值并記錄，相加兩個(gè)連續(xù)記錄的差值計(jì)算出周期；

（4）波浪參數(shù)的發(fā)送

波浪監(jiān)測(cè)app的數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊按設(shè)定的時(shí)間段對(duì)該時(shí)間段內(nèi)的波浪的波高、波向和周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組儲(chǔ)存到文本文件中，然后通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊調(diào)用手機(jī)2內(nèi)部的郵件模塊將儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的文本文件按照設(shè)置的郵件傳輸時(shí)間段分時(shí)段發(fā)送到預(yù)先設(shè)置的郵箱。

手機(jī)2內(nèi)集成有多種傳感器，包括加速度傳感器、重力傳感器、磁力傳感器、陀螺儀、GPS等以及由上述硬件實(shí)現(xiàn)的基于軟件的傳感器，比如三軸線性加速度傳感器、方向傳感器等；此外手機(jī)2還具有移動(dòng)通信功能和電源系統(tǒng)，可以獨(dú)立完成數(shù)據(jù)傳輸和持續(xù)運(yùn)行；外置電源3可以為手機(jī)2供電，延長(zhǎng)手機(jī)2的續(xù)航時(shí)間；波浪監(jiān)測(cè)app通過(guò)數(shù)據(jù)處理算法調(diào)用手機(jī)2內(nèi)的傳感器實(shí)現(xiàn)波浪參數(shù)的測(cè)量，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)置的郵箱，數(shù)據(jù)處理間隔時(shí)間為10秒，郵件傳輸間隔時(shí)間為60秒；防水外殼1可以有效的保護(hù)手機(jī)2和外置電源3。再者，手機(jī)2具有GPS定位功能，當(dāng)手機(jī)2電量過(guò)低時(shí)，可將位置信息發(fā)送到郵箱，然后人們可將該浮標(biāo)進(jìn)行收回、處理后進(jìn)行再利用。

經(jīng)自主測(cè)試表明，波浪的波向的測(cè)量最準(zhǔn)確，在±5°以?xún)?nèi)，其次是波浪的周期準(zhǔn)確度在88%左右，波浪的波向準(zhǔn)確度在84%左右。測(cè)試結(jié)果表明本發(fā)明提供的智能手機(jī)2波浪浮標(biāo)的波浪參數(shù)測(cè)量精度能夠滿足實(shí)際測(cè)量需求。

所述手機(jī)2為安卓智能手機(jī)2。安卓智能手機(jī)2應(yīng)用普遍，價(jià)格低，并且配置有多種傳感器，此外，基于安卓系統(tǒng)的app方便開(kāi)發(fā)。

所述防水外殼1為中空的全封閉扁圓柱體，圓柱體的直徑為20cm，方便外置電源3與手機(jī)2的固定安裝，也實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)的微型化設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的核心為智能手機(jī)2，波浪監(jiān)測(cè)app是利用個(gè)人計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的，個(gè)人計(jì)算機(jī)方便搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境和平臺(tái)，可以快速執(zhí)行代碼和運(yùn)行一個(gè)測(cè)試app的虛擬設(shè)備，鍵盤(pán)和顯示器具有良好的輸入輸出效果，運(yùn)行內(nèi)存和硬盤(pán)空間很大。波浪監(jiān)測(cè)app主體有四個(gè)模塊，分別是用戶交互界面，數(shù)據(jù)獲取模塊，數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊；用戶交互界面是用戶對(duì)app最直觀的體驗(yàn)，用戶通過(guò)點(diǎn)擊按鈕和文本輸入，對(duì)軟件進(jìn)行操作和設(shè)置，運(yùn)行時(shí)界面上會(huì)顯示各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用傳感器以一定的頻率測(cè)量運(yùn)動(dòng)的加速度和三軸角度，這些數(shù)據(jù)被放在數(shù)組中等待系統(tǒng)調(diào)用；數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和篩選，然后將結(jié)果保存到硬盤(pán)文本文件中；最后數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)手機(jī)2以電子郵件附件形式將文本文件發(fā)送到指定郵箱。

本發(fā)明提供的智能手機(jī)波浪浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)波浪參數(shù)測(cè)量的技術(shù)手段為：

1、波高測(cè)量

波浪監(jiān)測(cè)app里面設(shè)置有基于軟件的三軸線性加速度傳感器。當(dāng)加速度傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)，其z軸加速度是當(dāng)?shù)鼐值丶铀俣?，大約是9.8m/s^2，當(dāng)其垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其真實(shí)加速度是測(cè)量值減去局地加速度。而三軸線性加速度傳感器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，規(guī)定其z軸加速度是0m/s^2，從而可以直接獲得運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的垂向加速度，使用的時(shí)候更準(zhǔn)確簡(jiǎn)單。

垂向加速度經(jīng)過(guò)兩次時(shí)間積分能得到垂向位移，通過(guò)連續(xù)的位移可以獲得波浪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這里使用的是梯形數(shù)值積分法。參照?qǐng)D3，梯形數(shù)值積分法是一種簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的數(shù)值積分方法，易于在程序代碼中實(shí)現(xiàn)。其原理是將曲線和x軸切割成多個(gè)梯形，求這個(gè)曲線的積分近似求這些梯形的面積。梯形的數(shù)量越多，積分越準(zhǔn)確。

手機(jī)內(nèi)的傳感器數(shù)值發(fā)生變化都會(huì)被記錄，記錄此時(shí)的加速度值和系統(tǒng)時(shí)間，當(dāng)?shù)诙位卣{(diào)時(shí)，再記錄加速度數(shù)值和系統(tǒng)時(shí)間，兩次時(shí)間間隔就是測(cè)量時(shí)間，也就是Δx，這樣就可以積分了。第一次加速度對(duì)時(shí)間積分得到的是速度，速度對(duì)時(shí)間積分得到的是位移。每次積分出來(lái)的速度和位移數(shù)據(jù)都會(huì)存放在對(duì)應(yīng)的數(shù)組中。對(duì)位移數(shù)據(jù)基于上跨零點(diǎn)法，按照波高由大到小的順序排序，取總波數(shù)的1/3個(gè)波的波高求算術(shù)平均值，即可得到有效波高。所用到的上跨零點(diǎn)法，指的是取觀測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)平均波高為零線，把波面上升與零線相交的點(diǎn)作為一個(gè)波的起點(diǎn)。波形不規(guī)則地振動(dòng)降到零線以下，接著又上升再次與零線相交，這一點(diǎn)作為該波的終點(diǎn)(也是下一個(gè)波的起點(diǎn))。把這兩點(diǎn)間的波峰最高點(diǎn)到波谷最低點(diǎn)的垂直距離定義為波高。

2、波向測(cè)量

參照?qǐng)D4-6，波浪監(jiān)測(cè)app里面設(shè)置有調(diào)用手機(jī)內(nèi)部的加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器組成的方向傳感器，用于波向的測(cè)量。方向傳感器有三個(gè)數(shù)值，分別是繞z軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的values[0]，繞x軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的values[1]，繞y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的values[2]。當(dāng)手機(jī)屏幕水平向上，values[0]順時(shí)針旋轉(zhuǎn)從0-360度，正北是0/360度，values[1]和values[2]從-90-90度，箭頭所指方向向上運(yùn)動(dòng)時(shí)數(shù)值為正。

假設(shè)設(shè)備載體的橫切面是圓形，波浪過(guò)來(lái)時(shí)會(huì)傾斜，傾角最大的地方就是波向，波向相對(duì)于左邊坐標(biāo)軸的角度α。載體傾斜時(shí)方向傳感器記錄到x，y軸上兩個(gè)傾角β2和β1，x軸上的傾角是繞y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的values[2]的值，y軸上的傾角是繞x軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的values[1]的值，即β1=values[1]，β2=values[2]，令a=sinβ1，b=sinβ2，在一象限，a，b<0，波向α=arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)；在第二象限a<0，b>0，波向α=arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)；第三象限，a，b>0，波向α=arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)；在第四象限a>0，b<0，波向α=arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)；再結(jié)合其象限和values[0]數(shù)值，可以算出波向的地理方向。具體方法是根據(jù)a和b的正負(fù)判斷象限，在第四象限加90度，在第三象限加180度，在第四象限加270度求出波向相對(duì)y軸負(fù)方向的角度，再加上values[0]地理方向求出波向地理方向；當(dāng)檢測(cè)到載體上升時(shí)，取原值，下降時(shí)減去180度。

3、周期測(cè)量

每次進(jìn)行波高測(cè)量時(shí)，就把當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間被放在時(shí)間數(shù)組中，當(dāng)上一次速度和這一次速度方向不一樣時(shí)可以判斷出現(xiàn)了波峰或者波谷，計(jì)算時(shí)間數(shù)組中最后一個(gè)值和前一個(gè)的差值，連續(xù)記錄兩個(gè)差值，它們的和就是一個(gè)周期。