本發(fā)明涉及一種波浪監(jiān)測設備，特別是一種智能手機波浪浮標。

背景技術：

海洋科學是一個正在蓬勃發(fā)展的學科，海洋開發(fā)具有戰(zhàn)略意義。隨著海洋技術的發(fā)展和人們對海洋資源的不斷開發(fā)，對海洋環(huán)境的監(jiān)測尤其是海浪參數(shù)的監(jiān)測顯得很重要。

目前我國海洋技術和海洋監(jiān)測技術比較落后，一方面許多海洋觀測站的海浪數(shù)據(jù)還是來源于觀測員的目測，觀測效果有折扣；另一方面近海海浪的監(jiān)測多采用波浪浮標方法，雖然波浪浮標是一種無人值守的自動定點定時的對海面波浪的高度，波浪周期，波浪傳播方向等要素進行遙測的小型浮標測量系，但是專業(yè)波浪浮標價格昂貴，難以大規(guī)模部署。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種小體積、價格低、波向測量精度高的智能手機波浪浮標。

本發(fā)明所要解決的技術問題是通過以下的技術方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是一種智能手機波浪浮標，該浮標包括手機、外置電源和防水外殼，手機與外置電源固定安裝在防水外殼內(nèi)，手機通過數(shù)據(jù)線與外置電源連接；所述手機上安裝有波浪監(jiān)測app，波浪監(jiān)測app包括調(diào)用手機內(nèi)部的計時器、加速度傳感器、磁場傳感器的數(shù)據(jù)獲取模塊、進行波浪參數(shù)計算的數(shù)據(jù)處理存儲模塊和調(diào)用手機內(nèi)部的郵件模塊進行郵件發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸模塊；

（1）波高的測量

波浪監(jiān)測app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機內(nèi)部的加速度傳感器直接獲取運動狀態(tài)的垂向加速度，數(shù)據(jù)處理存儲模塊對垂向加速度進行兩次時間積分計算出垂向位移，通過連續(xù)的位移獲得波浪的連續(xù)運動狀態(tài)，對位移數(shù)據(jù)采用上跨零點法，按照波高由大到小的順序排序，取總波數(shù)的三分之一個波的波高計算算術平均值，算出波高；

（2）波向的測量

以手機的中心為坐標原點，以手機的橫向為x軸，手機的縱向為y軸，手機的豎向為z軸，建立笛卡爾坐標（x，y，z）；規(guī)定手機與繞z軸、x軸和y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角為r1、r2和r3，當手機屏幕水平向上時，手機順時針旋轉(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app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機內(nèi)部的加速度傳感器和磁場傳感器獲得r1、r2和r3，

令a=sin(r1)，b=sin(r2)，結合a和b的正負，計算arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)或arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)，算出波向；

（3）周期的測量

波浪監(jiān)測app的數(shù)據(jù)處理存儲模塊每次進行波高計算時，調(diào)用手機內(nèi)部的計時器把當前系統(tǒng)時間存放在時間數(shù)組中，通過速度的方向判斷下次出現(xiàn)波峰或波谷的時間，并存放在時間數(shù)組中，計算時間數(shù)組中最后一個時間和前一個時間的差值并記錄，相加兩個連續(xù)記錄的差值計算出周期；

（4）波浪參數(shù)的發(fā)送

波浪監(jiān)測app的數(shù)據(jù)處理存儲模塊按設定的時間段對該時間段內(nèi)的波浪的波高、波向和周期的數(shù)據(jù)進行分組儲存到文本文件中，然后通過數(shù)據(jù)傳輸模塊調(diào)用手機內(nèi)部的郵件模塊將儲存數(shù)據(jù)的文本文件按照設置的郵件傳輸時間段分時段發(fā)送到預先設置的郵箱。

本發(fā)明所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現(xiàn)，所述手機為安卓智能手機。

本發(fā)明所要解決的技術問題還可以通過以下的技術方案來進一步實現(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)明利用手機替代傳統(tǒng)浮標內(nèi)的電子設備，手機內(nèi)部的電路結構替代之前電子設備內(nèi)部的電路機構，提高了數(shù)據(jù)處理性能，降低了生產(chǎn)成本，并且實現(xiàn)全球化的實時數(shù)據(jù)傳輸；波浪監(jiān)測app可調(diào)用手機內(nèi)部的硬件進行參數(shù)測量，然后加以數(shù)學計算得出波浪的波高、波向和周期，并調(diào)用手機內(nèi)部的郵件模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ㄠ]箱；此外，手機還配合有外置電源和防水外殼，提高了手機的續(xù)航能力，并且減少了該浮標的體積。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的智能手機波浪浮標將手機與防水外殼高度結合，減少了浮標的體積和重量，在保證波浪參數(shù)準確測量的前提下降低了浮標的生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種結構示意圖；

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示意圖；

圖5為本發(fā)明的波向計算原理示意圖；

圖6為本發(fā)明的波向角計算原理圖。

具體實施方式

以下參照附圖，進一步描述本發(fā)明的具體技術方案，以便于本領域的技術人員進一步地理解本發(fā)明，而不構成對其權利的限制。

參照圖1-2，一種智能手機2波浪浮標，該浮標包括手機2、外置電源3和防水外殼1，手機2與外置電源3固定安裝在防水外殼1內(nèi)，手機2通過數(shù)據(jù)線與外置電源3連接；所述手機2上安裝有波浪監(jiān)測app，波浪監(jiān)測app包括調(diào)用手機2內(nèi)部的計時器、加速度傳感器、磁場傳感器的數(shù)據(jù)獲取模塊、進行波浪參數(shù)計算的數(shù)據(jù)處理存儲模塊和調(diào)用手機2內(nèi)部的郵件模塊進行郵件發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸模塊；

（1）波高的測量

波浪監(jiān)測app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機2內(nèi)部的加速度傳感器直接獲取運動狀態(tài)的垂向加速度，數(shù)據(jù)處理存儲模塊對垂向加速度進行兩次時間積分計算出垂向位移，通過連續(xù)的位移獲得波浪的連續(xù)運動狀態(tài)，對位移數(shù)據(jù)采用上跨零點法，按照波高由大到小的順序排序，取總波數(shù)的三分之一個波的波高計算算術平均值，算出波高；

（2）波向的測量

以手機2的中心為坐標原點，以手機2的橫向為x軸，手機2的縱向為y軸，手機2的豎向為z軸，建立笛卡爾坐標（x，y，z）；規(guī)定手機2與繞z軸、x軸和y軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角為r1、r2和r3，當手機2屏幕水平向上時，手機2順時針旋轉(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app的數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用手機2內(nèi)部的加速度傳感器和磁場傳感器令a=sin(r1)，b=sin(r2)，結合a和b的正負，計算arccos(|a|(a^2+b^2)^1/2)或arccos(|b|(a^2+b^2)^1/2)，算出波向；

（2）周期的測量

波浪監(jiān)測app的數(shù)據(jù)處理存儲模塊每次進行波高計算時，調(diào)用手機2內(nèi)部的計時器把當前系統(tǒng)時間存放在時間數(shù)組中，通過速度的方向判斷下次出現(xiàn)波峰或波谷的時間，并存放在時間數(shù)組中，計算時間數(shù)組中最后一個時間和前一個時間的差值并記錄，相加兩個連續(xù)記錄的差值計算出周期；

（4）波浪參數(shù)的發(fā)送

波浪監(jiān)測app的數(shù)據(jù)處理存儲模塊按設定的時間段對該時間段內(nèi)的波浪的波高、波向和周期的數(shù)據(jù)進行分組儲存到文本文件中，然后通過數(shù)據(jù)傳輸模塊調(diào)用手機2內(nèi)部的郵件模塊將儲存數(shù)據(jù)的文本文件按照設置的郵件傳輸時間段分時段發(fā)送到預先設置的郵箱。

手機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2還具有移動通信功能和電源系統(tǒng)，可以獨立完成數(shù)據(jù)傳輸和持續(xù)運行；外置電源3可以為手機2供電，延長手機2的續(xù)航時間；波浪監(jiān)測app通過數(shù)據(jù)處理算法調(diào)用手機2內(nèi)的傳感器實現(xiàn)波浪參數(shù)的測量，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到設置的郵箱，數(shù)據(jù)處理間隔時間為10秒，郵件傳輸間隔時間為60秒；防水外殼1可以有效的保護手機2和外置電源3。再者，手機2具有GPS定位功能，當手機2電量過低時，可將位置信息發(fā)送到郵箱，然后人們可將該浮標進行收回、處理后進行再利用。

經(jīng)自主測試表明，波浪的波向的測量最準確，在±5°以內(nèi)，其次是波浪的周期準確度在88%左右，波浪的波向準確度在84%左右。測試結果表明本發(fā)明提供的智能手機2波浪浮標的波浪參數(shù)測量精度能夠滿足實際測量需求。

所述手機2為安卓智能手機2。安卓智能手機2應用普遍，價格低，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2的固定安裝，也實現(xiàn)了浮標的微型化設計。

本發(fā)明的核心為智能手機2，波浪監(jiān)測app是利用個人計算機開發(fā)的，個人計算機方便搭建開發(fā)環(huán)境和平臺，可以快速執(zhí)行代碼和運行一個測試app的虛擬設備，鍵盤和顯示器具有良好的輸入輸出效果，運行內(nèi)存和硬盤空間很大。波浪監(jiān)測app主體有四個模塊，分別是用戶交互界面，數(shù)據(jù)獲取模塊，數(shù)據(jù)處理存儲模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊；用戶交互界面是用戶對app最直觀的體驗，用戶通過點擊按鈕和文本輸入，對軟件進行操作和設置，運行時界面上會顯示各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)獲取模塊調(diào)用傳感器以一定的頻率測量運動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)處理存儲模塊對測量的數(shù)據(jù)進行計算和篩選，然后將結果保存到硬盤文本文件中；最后數(shù)據(jù)傳輸模塊通過手機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)明提供的智能手機波浪浮標實現(xiàn)波浪參數(shù)測量的技術手段為：

1、波高測量

波浪監(jiān)測app里面設置有基于軟件的三軸線性加速度傳感器。當加速度傳感器處于靜止狀態(tài)，其z軸加速度是當?shù)鼐值丶铀俣?，大約是9.8m/s^2，當其垂向運動時，其真實加速度是測量值減去局地加速度。而三軸線性加速度傳感器處于靜止狀態(tài)時，規(guī)定其z軸加速度是0m/s^2，從而可以直接獲得運動狀態(tài)的垂向加速度，使用的時候更準確簡單。

垂向加速度經(jīng)過兩次時間積分能得到垂向位移，通過連續(xù)的位移可以獲得波浪的運動狀態(tài)。這里使用的是梯形數(shù)值積分法。參照圖3，梯形數(shù)值積分法是一種簡單準確的數(shù)值積分方法，易于在程序代碼中實現(xiàn)。其原理是將曲線和x軸切割成多個梯形，求這個曲線的積分近似求這些梯形的面積。梯形的數(shù)量越多，積分越準確。

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

2、波向測量

參照圖4-6，波浪監(jiān)測app里面設置有調(diào)用手機內(nèi)部的加速度傳感器和磁場傳感器組成的方向傳感器，用于波向的測量。方向傳感器有三個數(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]。當手機屏幕水平向上，values[0]順時針旋轉(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動時數(shù)值為正。

假設設備載體的橫切面是圓形，波浪過來時會傾斜，傾角最大的地方就是波向，波向相對于左邊坐標軸的角度α。載體傾斜時方向傳感器記錄到x，y軸上兩個傾角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y軸負方向的角度，再加上values[0]地理方向求出波向地理方向；當檢測到載體上升時，取原值，下降時減去180度。

3、周期測量

每次進行波高測量時，就把當前系統(tǒng)時間被放在時間數(shù)組中，當上一次速度和這一次速度方向不一樣時可以判斷出現(xiàn)了波峰或者波谷，計算時間數(shù)組中最后一個值和前一個的差值，連續(xù)記錄兩個差值，它們的和就是一個周期。