趙杰，王志，惠力，朱洪海，楊俊賢，初士博

基于水聲通信的海洋水質(zhì)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙杰，王志，惠力，朱洪海，楊俊賢，初士博

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266001)

為解決目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)存在的單點(diǎn)測(cè)量、實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)不及時(shí)、通信距離短和供電不便等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于水聲通信的海洋水質(zhì)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括浮標(biāo)系統(tǒng)、坐底式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、岸站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。水質(zhì)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的下位機(jī)由浮標(biāo)系統(tǒng)和海底多個(gè)坐底式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成；坐底式系統(tǒng)與浮標(biāo)之間采用水聲通信的方式實(shí)現(xiàn)水下數(shù)據(jù)上傳，水聲通信半徑能達(dá)到10 km；以浮標(biāo)作為中繼系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能供電，利用DTU和北斗雙通信將分鐘數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，解決了諸多水質(zhì)監(jiān)測(cè)中現(xiàn)存的問(wèn)題。研究表明，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳率達(dá)到95%以上，能夠滿足大范圍海域內(nèi)水質(zhì)多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，可為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供全天候有效可靠的水質(zhì)參數(shù)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)；海上浮標(biāo)；海底觀測(cè)網(wǎng)；水聲通信

在海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中，水域環(huán)境的優(yōu)劣直接影響到魚(yú)、蝦、蟹、海參等海洋水產(chǎn)品質(zhì)量的高低。隨著漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大、養(yǎng)殖種類的增多和養(yǎng)殖密度的增大，對(duì)鹽度、pH、溶解氧、水溫等水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水平和要求不斷提高。以往的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，需租船到海上進(jìn)行多點(diǎn)采樣，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析后才能得到數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，成本高，投入了大量的人力物力，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境動(dòng)態(tài)變化。目前正在研發(fā)中的國(guó)外水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如美國(guó)Heliosware公司的EMNET系統(tǒng)和澳大利亞CSIRO公司的Fleck系統(tǒng)，通信速率低，體積大，成本昂貴[1]。國(guó)內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，如劉興國(guó)等[2]提出的基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖安全保障系統(tǒng)和王驥等[3]設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)多參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸，但這兩種系統(tǒng)需要市電供電，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍多層水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的要求，只適合單層面近海觀測(cè)，而對(duì)于遠(yuǎn)海測(cè)量不適用。

本研究中以海底和海平面水質(zhì)監(jiān)測(cè)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了海洋水質(zhì)多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，分別測(cè)量海平面和海底多點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海的數(shù)據(jù)傳輸，旨在為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的水質(zhì)參數(shù)。該系統(tǒng)采用海洋浮標(biāo)掛載manta2水質(zhì)傳感器的方式實(shí)現(xiàn)海平面水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量，利用坐底支架掛載水聲modem、水下密封艙和水質(zhì)傳感器構(gòu)成的水下水質(zhì)參數(shù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海底水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量。水下采集系統(tǒng)與海洋浮標(biāo)間通過(guò)水聲modem進(jìn)行數(shù)據(jù)通信傳輸。海洋浮標(biāo)可實(shí)現(xiàn)與多個(gè)水下采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，通信半徑可達(dá)到10 km。海洋浮標(biāo)系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)浮標(biāo)，使水下數(shù)據(jù)可以穿過(guò)海面，實(shí)現(xiàn)水面與水下立體網(wǎng)絡(luò)通信觀測(cè)。以浮標(biāo)掛載DTU和北斗衛(wèi)星雙通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)近遠(yuǎn)海上傳。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括3大部分:岸站數(shù)據(jù)接收終端、海洋浮標(biāo)中繼采集傳輸系統(tǒng)和坐底式水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。海底傳感器節(jié)點(diǎn)與海洋浮標(biāo)水下進(jìn)行聲學(xué)組網(wǎng)通信，海洋浮標(biāo)系統(tǒng)將海底傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總后，通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送到岸站接收軟件。岸站接收軟件對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1.1 海洋浮標(biāo)中繼采集傳輸系統(tǒng)

海洋浮標(biāo)作為海底水質(zhì)數(shù)據(jù)上傳的中繼載體，是整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。浮標(biāo)系統(tǒng)主要包括中央處理采集器、水聲modem、多參數(shù)水質(zhì)傳感器manta2、北斗、GPS、羅盤(pán)、DTU(CDMA)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。其中，水聲modem的作用是實(shí)現(xiàn)與坐底式水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]；多參數(shù)水質(zhì)傳感器實(shí)現(xiàn)海平面水質(zhì)數(shù)據(jù)的測(cè)量；CDMA、北斗雙通信能夠解決近遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)通信上傳問(wèn)題；GPS實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的定位功能，防止浮標(biāo)跑丟；太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)浮標(biāo)系統(tǒng)在海上長(zhǎng)時(shí)間供電；中央處理采集器將數(shù)據(jù)采集整理后進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過(guò)雙通信向岸站數(shù)據(jù)接收終端發(fā)送數(shù)據(jù)；岸站接收終端可隨時(shí)調(diào)取中央處理器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Flow diagram of the system structure

1.2 坐底式水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

坐底式水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括水下支架、水質(zhì)傳感器manta2、水下密封艙和水聲 modem。水下密封艙內(nèi)包括電池系統(tǒng)和中央數(shù)據(jù)處理模塊。水下密封艙內(nèi)的電池可保證系統(tǒng)供電，連續(xù)供電周期為3個(gè)月；水下密封艙內(nèi)的中央處理模塊可以實(shí)現(xiàn)海底水質(zhì)數(shù)據(jù)采集和通信；水質(zhì)傳感器實(shí)現(xiàn)海底水質(zhì)參數(shù)測(cè)量；水聲modem實(shí)現(xiàn)與浮標(biāo)中心端水聲modem的數(shù)據(jù)鏈路通信；水質(zhì)傳感器、水下密封艙和水聲modem水下的耐壓可達(dá)100 m水深。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控電路設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控電路設(shè)計(jì)包括海上浮標(biāo)系統(tǒng)和海底水質(zhì)觀測(cè)點(diǎn)兩部分。兩部分電路采用的中央處理芯片、水質(zhì)傳感器、聲學(xué)收發(fā)系統(tǒng)、羅盤(pán)是一致的。海上浮標(biāo)系統(tǒng)與海底觀測(cè)點(diǎn)的不同在于供電系統(tǒng)、通信和衛(wèi)星定位。前者采用的是太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和北斗衛(wèi)星雙通信，并掛載GPS實(shí)現(xiàn)定位功能。后者采用鋰電池供電，只能通過(guò)水聲modem實(shí)現(xiàn)通信功能。測(cè)控電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)控電路設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Measurement and control circuit diagram

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由8塊太陽(yáng)能電池板、8塊12 V/100 Ah蓄電池和太陽(yáng)能充電控制器組成。測(cè)控電路中央處理芯片采用AVR公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8位微處理器Xmega128A1，供電電壓范圍為1.6～3.6 V，操作速率最高可達(dá)32MIPS，具有128 K的片內(nèi)自編程Flash、4 K的內(nèi)部E-2PROM、8 K的內(nèi)部SRAM、4路DMA控制器、8通道緩沖串行端口、8個(gè)16位通用定時(shí)器、8通道事件處理系統(tǒng)、4個(gè)兩線通信接口兼容I2C與SMBUS協(xié)議、4路SPI外部通信接口，2路8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和2路2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，具有內(nèi)部獨(dú)立可編程看門(mén)狗。12位的A/D采集電路可采集0～12 V電壓信號(hào)和4～20 mA的電流信號(hào)。1路開(kāi)關(guān)量控制水聲modem的開(kāi)關(guān)電。1路RS422通信接口連接北斗，5路RS232分別連接水聲modem、水質(zhì)傳感器、GPS、羅盤(pán)和DTU。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過(guò)SPI接口連接TF卡實(shí)現(xiàn)。

2.2 水聲通信電路設(shè)計(jì)

為了現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)方便，保證水聲通信系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立性，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)具有透?jìng)鞴δ艿乃曂ㄐ艡C(jī)。該通信機(jī)可直接與串口設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

為降低設(shè)備處理預(yù)算功耗，提高通信準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)鞴δ?。本研究中選用ADI公司的低功耗16位定點(diǎn)DSP芯片ADSP－BF548和ADSPBF561[6]。采用雙DSP硬件結(jié)構(gòu)模式既利于電路硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試，也方便軟件編程設(shè)計(jì)。ADSP－BF561擁有雙處理內(nèi)核，用于水聲通信信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)水聲調(diào)制解調(diào)的功能。ADSP－BF548外圍資源豐富，擔(dān)當(dāng)設(shè)備的主控單元，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存、存儲(chǔ)與透?jìng)鞴δ?。水聲通信機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 水下通信機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Flow diagram of the underwater communication machine

3 軟件設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)、岸站接收上位機(jī)和水聲通信鏈路3部分。

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)軟件主要包括以下幾個(gè)步驟:

(1)系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、串口、TF卡存儲(chǔ)接口、A/D模塊、系統(tǒng)時(shí)鐘等進(jìn)行初始化檢測(cè)配置，等待接收命令。

(2)傳感器數(shù)據(jù)接收。主控芯片通過(guò)串口發(fā)送命令，啟動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集。傳感器啟動(dòng)后，串口等待接收傳感器采集數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)整合存儲(chǔ)和發(fā)送。系統(tǒng)將采集的電池電壓、傳感器數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、羅盤(pán)數(shù)據(jù)等整合成一幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀包含幀頭、幀尾和數(shù)據(jù)校驗(yàn)位[7]。

(4)接收岸站上位機(jī)軟件指令。等待上位機(jī)軟件發(fā)送命令，命令幀也包括幀頭、幀尾和數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。上位機(jī)的命令包括調(diào)取、時(shí)間校正和誤差數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等。

下位機(jī)軟件流程圖如圖4所示。

3.2 岸站接收上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)軟件流程圖Fig.4 Lower computer software flow chart of the monitoring system

岸站接收軟件包括實(shí)時(shí)曲線顯示功能區(qū)、水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示區(qū)、浮標(biāo)中心監(jiān)控區(qū)域、下位機(jī)電池電壓和時(shí)間區(qū)域、功能選項(xiàng)區(qū)和GPS功能定位區(qū)域。在軟件的功能區(qū)域，可選擇實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面、通信調(diào)取界面、時(shí)間校準(zhǔn)、系統(tǒng)配置和Excel制表功能；在水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示區(qū)域，可以觀察水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)；在實(shí)時(shí)曲線區(qū)域，可以觀察曲線的連續(xù)性；在浮標(biāo)中心監(jiān)控區(qū)域，可以觀察浮標(biāo)偏離中心點(diǎn)的距離。此外，該軟件可讀取下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)時(shí)間和電池電壓，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示GPS定位數(shù)據(jù)。岸站接收上位機(jī)軟件界面如圖5所示。

3.3 水聲通信軟件設(shè)計(jì)

水聲通信系統(tǒng)主要分為相干和非相干兩種方式，前者要求發(fā)送信號(hào)與接收信號(hào)的相位和頻率之間存在預(yù)定關(guān)系，而后者則沒(méi)有這方面要求，因此，在數(shù)字信號(hào)處理方面，非相干通信系統(tǒng)比相干通信系統(tǒng)要簡(jiǎn)單，本研究中采用非相干方式進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。

3.3.1 發(fā)送端信號(hào)調(diào)制 水聲通信發(fā)送端采用非相干的頻移鍵控 (FSK)調(diào)制方式。FSK調(diào)制只和頻率有關(guān)，與相位無(wú)關(guān)，能減少碼間干擾，抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，但是FSK的頻帶利率低，聲道帶寬有限，只適合于低速率傳輸。為保證有限帶寬內(nèi)提髙傳輸速率，采用MFSK多進(jìn)制頻率調(diào)制的方式。由于通過(guò)水聲傳輸信息量較小，采用3FSK調(diào)制方式完全滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求。

MFSK多頻調(diào)制方式是用多種不同的載波頻率代表多種數(shù)字信息[8]。3FSK調(diào)制是每個(gè)字節(jié)由3種不同頻率的正弦信號(hào)表示。每個(gè)字節(jié)的最前端加12 kHz的正弦波作為同步信號(hào)，數(shù)據(jù)碼用9 kHz的正弦波表示二進(jìn)制0，用11 kHz的正弦波表示二進(jìn)制1。發(fā)送信息模式如圖6所示。

為減少碼間干擾，數(shù)據(jù)碼發(fā)射時(shí)間間隔為5 ms，每個(gè)數(shù)據(jù)碼周期長(zhǎng)度為5個(gè)正弦周期，數(shù)據(jù)碼發(fā)送間隔長(zhǎng)，數(shù)據(jù)碼周期短，碼元間留有足夠間隔給多途信號(hào)，碼元發(fā)送時(shí)間間隔就是保護(hù)時(shí)間。

3.3.2 接收端信號(hào)解調(diào) 按照上述水聲信道的通信特點(diǎn)，為降低多途信號(hào)干擾，發(fā)射端并不是連續(xù)的發(fā)射碼元信息。另外，為了提高波特率，減小了保護(hù)時(shí)間和碼元周期。這些做法均降低了通信性能，因此，接收端的處理運(yùn)算能力對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的通信性能提高至關(guān)重要。

為提高接收端信號(hào)處理速率，采樣信號(hào)通過(guò)離散Hilbert變化將原始信號(hào)從頻帶變化到基帶[9]，產(chǎn)生解析信號(hào)，這種方法可降低采樣速率，減少運(yùn)算量，提高信噪比，實(shí)現(xiàn)銳截止濾波器的功能。本研究中通過(guò)第三類相位FIR濾波器實(shí)現(xiàn)Hilbert變化。

解析信號(hào)通過(guò)FFT運(yùn)算得出多普勒頻率的偏移量和碼元信息。多普勒偏移量實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)頻率補(bǔ)償功能。碼元信息經(jīng)過(guò)解碼以后由Viterbi算法進(jìn)行譯碼輸出。用FFT進(jìn)行256點(diǎn)處理，AD采樣頻率為100 kHz，因此，得到頻譜最小間隔100 000 Hz/256＝390 Hz，能夠滿足通信系統(tǒng)接收端對(duì)頻率分辨率的要求。接收機(jī)信號(hào)處理流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果

2013年3月，該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某海域成功布放，實(shí)現(xiàn)了海域內(nèi)多點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、數(shù)據(jù)調(diào)取和數(shù)據(jù)校正，以及24 h全天連續(xù)監(jiān)測(cè)等功能。該系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)近3年，達(dá)到漁業(yè)養(yǎng)殖部門(mén)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確觀測(cè)的要求。坐底式系統(tǒng)布放水域水深為20 m。浮標(biāo)和坐底式系統(tǒng)布放實(shí)物圖如圖8所示。

系統(tǒng)軟件會(huì)自動(dòng)生成水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)曲線，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。歷史數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示。

將2016年10月2日10:00—11:00時(shí)間段內(nèi)海面、海底實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)平均數(shù)據(jù)與人工采樣后的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 海面與實(shí)驗(yàn)室采樣數(shù)據(jù)的比對(duì) (10:00—11:00)Tab.1 Comparison of data(10:00—11:00)collected from sea surface and a laboratory

表2 海底與實(shí)驗(yàn)室采樣數(shù)據(jù)的比對(duì) (10:00—11:00)Tab.2 Comparison of data(10:00—11:00)collected from sea bottom and a laboratory

將2016年10月2日11:00～13:00時(shí)間段內(nèi)海面、海底實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)平均數(shù)據(jù)與人工采樣后的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 海面與實(shí)驗(yàn)室采樣數(shù)據(jù)的比對(duì) (11:00—13:00)Tab.3 Comparison of data(11:00—13:00)collected from sea surface and a laboratory

表4 海底與實(shí)驗(yàn)室采樣數(shù)據(jù)的比對(duì) (11:00—13:00)Tab.4 Comparison data(11:00—13:00)collected from sea bottom and a laboratory

由上述3個(gè)小時(shí)的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)該水聲通信的海洋水質(zhì)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的水質(zhì)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室的采樣測(cè)量數(shù)據(jù)相差并不明顯，該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)具有一定的代表性和可靠性。

圖5 岸站接收上位機(jī)軟件Fig.5 Receiving software from shore stations

圖6 發(fā)送端信息調(diào)制Fig.6 Sending information modulation

圖7 接收機(jī)信號(hào)處理流程圖Fig.7 Flow chart of receiver signal processing

圖8 浮標(biāo)和坐底式系統(tǒng)布放實(shí)物圖Fig.8 Physical chart of buoy and bottom mounted system

5 結(jié)論

綜上所述，利用浮標(biāo)和坐底式系統(tǒng)組成的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)海面與海底多點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量，并得到可靠有效的數(shù)據(jù)，完全可以替代人工海上采樣作業(yè)。系統(tǒng)主要解決了下列4個(gè)問(wèn)題:

(1)實(shí)現(xiàn)海平面和海底多點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)同時(shí)測(cè)量，主要參數(shù)有鹽度、pH、水溫、溶解氧。

圖9 海上浮標(biāo)水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.9 Water quality observation data from a marine buoy

圖10 坐底式系統(tǒng)水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.10 Water quality observation data from a bottom sitting system

(2)實(shí)現(xiàn)水聲modem一對(duì)多點(diǎn)通信，建立水面與水下立體網(wǎng)絡(luò)通信，保證海底觀測(cè)多點(diǎn)布放測(cè)量，海底布放點(diǎn)離中心接收點(diǎn)間的距離半徑可達(dá)到10 km。

(3)浮標(biāo)采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，保證浮標(biāo)系統(tǒng)長(zhǎng)久持續(xù)供電，不受市電的限制。

(4)采用CDMA和北斗衛(wèi)星雙通信，可實(shí)現(xiàn)近遠(yuǎn)海實(shí)時(shí)通信。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可在海洋水質(zhì)參數(shù)觀測(cè)設(shè)備中進(jìn)行廣泛地推廣和應(yīng)用，特別是在多層測(cè)量和深遠(yuǎn)海水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面具有一定的參考價(jià)值。

[1] 黃建清，王衛(wèi)星，姜晟，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(4):183－190.

[2] 劉興國(guó)，劉兆普，王鵬祥，等.基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖安全保障系統(tǒng)及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(6):186－191.

[3] 王驥，周文靜，沈玉利.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(13):3334－3337.

[4] 王玉慶，胡慧敏，石建華.漁業(yè)養(yǎng)殖水中溶解氧的無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(3):75－77.

[5] 嚴(yán)麗平，宋凱.基于ZigBee與GPRS的嵌入式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(5):1638－1640，1852.

[6] 周建清，郭中源，賈寧，等.無(wú)線/水聲通信浮標(biāo)技術(shù)研究及其實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用聲學(xué)，2012，31(6):445－455.

[7] 于海濱，袁玖一，李官保，等.基于ARM Cortex－M3/M4的海底多模式測(cè)控系統(tǒng)研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(7):64－67.

[8] 葦周芳，黃建國(guó).基于MFSK的多載波水聲通信系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究[J].無(wú)線通信技術(shù)，2006，15(2):9－13.

[9] 李楓，黃瑞光.一種FSK水聲通信信號(hào)的設(shè)計(jì)與接收處理[J].聲學(xué)與電子工程，2004(1):8－10.

Design of a marine multi－point water quality monitoring system based on underwater acoustic communication

ZHAO Jie， WANG Zhi， HUI Li， ZHU Hong－h(huán)ai， YANG Jun－xian， CHU Shi－bo
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology， Institute of Oceanographic Instrumentation， Shandong Academy of Sciences， Qingdao 266001， China)

A multi－point monitoring system for marine water quality was designed based on underwater acoustic communication in order to solve the problems of single point measurement， and real－time tracking and observation，short communication distance and inconvenient power supply.The system is primarily comprised of buoy system，water quality monitoring system of sitting style，and real－time receiving system of shore station.The lower system of water quality multi－point monitoring includes the buoy system and multiple water quality monitoring system of sitting style，and the underwater data communication between underwater system and buoy is realized by underwater acoustic communication，whose radius can extend to 10 km.Buoy as a relay system powered by solar energy uploads minutes data by double communication of DTU and the Beidou，dealing with the issues of short communication distance， power supply inconvenience， and untimely observation.Shore station receiving software acts as displaying minutes of data， formatting the curve， and saving the data.The system with more than 95%data upload rate can meet the requirements of a wide range of water quality multi－point monitoring in real－time， and provide aquaculture with effective and reliable water quality parameters all day.

water quality monitoring； sea buoy； submarine observation network； underwater sound communication

Q954.4

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.06.017

2095－1388(2017)06－0747－06

2017－02－09

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng) (2016YFC1400403)

趙杰 (1983—)，男，工程師。E－mail:zhaojie83＠126.com