賈文娟, 張孝薇, 閆晨陽, 李紅志

海洋牧場生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

賈文娟, 張孝薇, 閆晨陽, 李紅志

(國家海洋技術(shù)中心, 天津 300112)

海洋牧場生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測網(wǎng)是海洋牧場建設(shè)的重要發(fā)展方向之一。傳統(tǒng)海洋監(jiān)測系統(tǒng)體積大、功耗大、價(jià)格昂貴, 受牧場建設(shè)的經(jīng)費(fèi)限制, 無法大量投放組成監(jiān)測網(wǎng), 迫切需要一種低成本的海洋監(jiān)測手段, 可負(fù)擔(dān)大面積、高空間密度的投放, 并以分布式的物聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行組網(wǎng)監(jiān)測, 解決這一難題。本文基于MEMS技術(shù)研發(fā)可大量“群蜂式”布放、高時(shí)空分辨率、兼顧環(huán)境與生物種群特征監(jiān)測的低成本監(jiān)測小浮子, 每個(gè)小浮子下掛多節(jié)點(diǎn)傳感器鏈和視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn), 使用低成本的水面水下無線傳輸無線通信手段進(jìn)行組網(wǎng)觀測, 從而為構(gòu)建海洋牧場環(huán)境智能化立體監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)提出了全新的解決方案。

海洋牧場; 在線監(jiān)測; 低成本; 物聯(lián)網(wǎng)

中國是海洋大國, 海洋漁業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分, 也是中國糧食安全保障的重要組成部分。中國漁業(yè)產(chǎn)量多年來一直位于世界首位, 但是長期粗放型的傳統(tǒng)海洋漁業(yè)生產(chǎn)方式給中國近海生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源造成了巨大壓力?，F(xiàn)代化海洋牧場是適合現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的新型海洋生物資源開發(fā)模式。建設(shè)現(xiàn)代化海洋牧場, 可促進(jìn)中國漁業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展以及海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的穩(wěn)步實(shí)施[1]。傳統(tǒng)海洋牧場實(shí)現(xiàn)了部分要素或部分空間、時(shí)間環(huán)境監(jiān)測的自動化, 但在現(xiàn)代化海洋牧場需要的廣域生態(tài)環(huán)境多維信息化監(jiān)控方面還有很大距離?，F(xiàn)代化海洋牧場則是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和管理方法對生物資源、生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)生產(chǎn)以及相關(guān)活動等進(jìn)行系統(tǒng)管理, 所以海洋牧場環(huán)境監(jiān)測以及水下養(yǎng)殖生物實(shí)時(shí)監(jiān)測已經(jīng)成為海洋牧場建設(shè)的重要方向。為推進(jìn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施和現(xiàn)代漁業(yè)科技創(chuàng)新, 驅(qū)動我國漁業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與持續(xù)發(fā)展, 2019年我國啟動實(shí)施了“藍(lán)色糧倉科技創(chuàng)新”重點(diǎn)專項(xiàng), 針對海洋牧場漁業(yè)水域環(huán)境實(shí)時(shí)高效監(jiān)測的共性關(guān)鍵技術(shù)瓶頸, 提出開發(fā)典型漁業(yè)水域水質(zhì)生態(tài)環(huán)境原位在線監(jiān)測技術(shù), 研制漁業(yè)水域水環(huán)境預(yù)警及管理決策支持系統(tǒng)。

1 當(dāng)前海洋牧場監(jiān)測存在的主要問題

現(xiàn)代化海洋牧場需要建立對廣域水體和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò), 這就要求布設(shè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器, 對諸如海洋溫度、生態(tài)、生物等多種環(huán)境剖面信息進(jìn)行原位實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)還需要布設(shè)多個(gè)水下視頻在線監(jiān)控節(jié)點(diǎn), 這樣可隨時(shí)掌控魚蝦等水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品生長發(fā)育情況, 實(shí)現(xiàn)自動增氧、精準(zhǔn)投喂和魚病診斷等異常報(bào)警。目前傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)手段離現(xiàn)代化海洋牧場的需求還有很大距離, 例如山東海洋牧場采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了一套海底在線觀測系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了水下多要素水文數(shù)據(jù)和高清視頻的實(shí)時(shí)在線觀測[2], 如圖1所示。該套系統(tǒng)只有一個(gè)海底測量節(jié)點(diǎn), 不能實(shí)現(xiàn)滿足水下不同深度數(shù)據(jù)的剖面測量, 并且需要通過電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)和電能傳輸, 造價(jià)和維護(hù)成本很高。

圖1 山東海洋牧場海底觀測系統(tǒng)示意圖[2]

從目前技術(shù)角度上看, 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化海洋牧場多維度實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)這一目標(biāo)的瓶頸主要以下兩個(gè): (1)現(xiàn)有的水質(zhì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測傳感器大都體積大、功耗大, 雖測量精度高, 但價(jià)格昂貴、壽命期短, 且需搭載的海洋站和浮標(biāo)規(guī)模較大, 也無法大量布設(shè), 或布設(shè)多限于海表面和海底, 這樣就使海洋牧場廣域水體的監(jiān)測成為一個(gè)難題。這樣可以看出, 已有的觀測技術(shù), 對于海洋牧場廣域水體的監(jiān)測而言, 絕大多數(shù)傳感器造價(jià)高昂, 難以廣泛布設(shè), 這就使得面向海洋牧場的多要素綜合監(jiān)測網(wǎng)還處于空白。(2) 這種在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀多節(jié)點(diǎn)傳感器和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的分布, 將生成的大量信息(包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像、視頻等)需要實(shí)時(shí)傳輸, 對傳輸數(shù)據(jù)量和通信速率的要求非常高。有線通信的造價(jià)成本非常高且海洋環(huán)境適應(yīng)性差, 容易被破壞, 常規(guī)的海洋環(huán)境在線監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)通信都是采用無線傳輸方式, 所以高速高可靠的水下和水面無線通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海洋牧場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的最關(guān)鍵技術(shù)之一。尤其海洋牧場區(qū)別于其他海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的是, 需要對于牧場生物行為進(jìn)行有效控制與追蹤、生物資源進(jìn)行高效探測與精準(zhǔn)評估, 必須依靠水下實(shí)時(shí)影像觀測的途徑獲取視頻和圖像信息, 這就進(jìn)一步加大了監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸量, 也成為制約海洋牧場智能監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸問題。正因?yàn)檫@樣, 現(xiàn)有海洋牧場監(jiān)測還不得不停留在人工或水下機(jī)器人攜帶水下影像設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場錄像回收后進(jìn)行分析的階段, 未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線監(jiān)測。

綜上, 要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化海洋牧場對廣域水體和生態(tài)環(huán)境的立體在線監(jiān)測, 需要應(yīng)用陸地上蓬勃發(fā)展的所謂泛在感知的“物聯(lián)網(wǎng)”理念, 突破海量、低成本、高空間分辨率傳感器技術(shù)和高速高可靠數(shù)據(jù)互聯(lián)互通技術(shù)瓶頸, 構(gòu)建海洋牧場環(huán)境智能化立體監(jiān)測網(wǎng)。

2 海洋牧場生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋牧場監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

由于基于現(xiàn)有技術(shù)來連續(xù)監(jiān)測廣域海洋的成本是難以負(fù)擔(dān)的, 美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)于2017年12月宣布啟動“海洋物聯(lián)網(wǎng)”(Ocean of Things)項(xiàng)目[3-4], 試圖將海洋感知領(lǐng)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。DARPA計(jì)劃在全球范圍內(nèi)尋求搭載創(chuàng)新性、商業(yè)化傳感器的低成本小浮子及其岸基云平臺數(shù)據(jù)智能挖掘方案。通過將商業(yè)化傳感器技術(shù)與高性能分析工具相結(jié)合, 創(chuàng)建由數(shù)以千計(jì)、異構(gòu)小浮子(或微型浮標(biāo))組成的浮動傳感器網(wǎng)絡(luò)(floating sensor networks), 以便極大地拓展海事感知能力(maritime awareness)。DARPA需求中不僅關(guān)注收集如海洋溫度、海況等具有重要環(huán)境意義的氣象水文信息, 同時(shí)還尋求自動探測、跟蹤、識別周邊軍事與商業(yè)艦船分布態(tài)勢的技術(shù)方法或其他海上活動的可識別特征或指標(biāo) (discern indicators), 并挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)(data associations)。

圖2 美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)海洋物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃示意圖[3-4)

DARPA物聯(lián)網(wǎng)的未來設(shè)想是在全球任意1 000 km× 1 000 km區(qū)域內(nèi)可布放5萬個(gè), 即每10 km×10 km網(wǎng)格內(nèi)至少有5個(gè)海洋物聯(lián)網(wǎng)小浮子; 小浮子與岸基的通信采用低軌衛(wèi)星通信(銥星或類似低軌物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星信道)方式; 小浮子具備一定的前端智能對環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行感知、岸基系統(tǒng)對小浮子群進(jìn)行智能運(yùn)控與場區(qū)環(huán)境與目標(biāo)分布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作; 每個(gè)小浮子的未來批量造價(jià)控制在$1000以內(nèi)。

借鑒DARPA計(jì)劃和海洋物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)理念, 設(shè)計(jì)應(yīng)用可大量“群蜂式”布放、高時(shí)空分辨率、兼顧環(huán)境與生物種群特征監(jiān)測的低成本監(jiān)測小浮子構(gòu)建海洋牧場環(huán)境智能化立體監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng), 如圖3所示。

圖3 海洋牧場環(huán)境智能化立體監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)示意圖

在該立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中, 將海洋牧場需要監(jiān)測廣域水體空間分割成若干個(gè)網(wǎng)格, 每個(gè)網(wǎng)格布放一個(gè)或多個(gè)小浮子, 在小浮子下面的傳感器鏈懸掛一個(gè)多節(jié)點(diǎn)傳感器鏈, 對諸如海洋溫度、生態(tài)、生物等多種環(huán)境信息進(jìn)行原位實(shí)時(shí)監(jiān)測。每個(gè)小浮子的多節(jié)點(diǎn)傳感器鏈將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿? 再由水面多個(gè)小浮子間進(jìn)行高速的組網(wǎng)通信。這樣以低成本微型浮標(biāo)和傳感器鏈的方式, 融合多要素傳感器技術(shù)和海量傳感器鏈、微型浮標(biāo)組網(wǎng)、通信技術(shù)等, 由監(jiān)測預(yù)警中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析, 即可形成智能化的海洋牧場監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)中低成本小浮子的實(shí)現(xiàn)

海洋牧場監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)中使用的低成本小浮子理念, 來源于海洋觀測中常用的漂流浮標(biāo)。其體積小、重量輕、成本低、布放簡單, 沒有龐大復(fù)雜的錨系系統(tǒng), 浮標(biāo)下掛水帆, 隨海流以拉格郎日法測量海水表層流和進(jìn)行大面積海區(qū)、洋面水文氣象觀測。它依靠Argos衛(wèi)星通信網(wǎng)定位并上傳收集觀測到的各種參數(shù), 經(jīng)地面接收站處理, 提供給用戶[5-7]。

目前國內(nèi)外漂流浮標(biāo)大都僅關(guān)注表層溫度、流速參數(shù)的測量, 工作模式單一, 仍然存在高精度傳感器價(jià)格昂貴、依賴進(jìn)口的狀況, 單溫測量要素的浮子售價(jià)在萬元左右, 多水文氣象要素的漂流浮標(biāo)的造價(jià)將增加到4萬元以上, 甚至達(dá)到20萬元, 這成為阻礙浮標(biāo)大規(guī)模布放應(yīng)用的重要問題。那么, 未來海洋牧場物聯(lián)網(wǎng)小浮子是借鑒傳統(tǒng)表面漂流浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 優(yōu)化其電源、智能通信與控制以及傳感器鏈掛接結(jié)構(gòu)、接口, 可搭載傳感器鏈在海洋環(huán)境下長期運(yùn)行。同時(shí)采用環(huán)境友好型材料, 并將成本控制在人民幣5 000元左右, 作為一種面向海洋物聯(lián)網(wǎng)的新型通用小浮子觀測平臺, 如圖4所示。

2.3 低成本傳感器鏈的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)海洋傳感器雖精度高, 但存在體積大、功耗大、重量大、成本高等問題, 無法滿足海洋牧場物聯(lián)網(wǎng)需要大規(guī)模部署傳感器的需求。而實(shí)際上, 海洋牧場的監(jiān)測不需要大量高精尖、大深度的海洋傳感器, 更需要的是中等精度、高一致性、低成本的傳感器, 可負(fù)擔(dān)大面積、高空間密度的監(jiān)測, 傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)這一難題。

MEMS(micro-electro mechanical system)微機(jī)電系統(tǒng), 是可批量制作的, 集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號處理和控制電路于一體的器件或微系統(tǒng)。主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、一致性好、可靠性高、靈敏度高、易于集成?；贛EMS技術(shù)的海洋傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比, 在構(gòu)建海洋牧場物聯(lián)網(wǎng)方面更具優(yōu)勢。

美國伊利諾伊大學(xué)的He等[8]加工了0.1 mm的MEMS電極探頭, 測量誤差在4%以內(nèi)。丹麥科技大學(xué)的Hyldgard等[9-11]基于硅材料的MEMS技術(shù)制作了一個(gè)尺寸約為4 mm×4 mm的開放式四電極電導(dǎo)率傳感器, 電極形狀為條形, 測量精確度在±0.6 mS/cm。本文中采用鉑電阻測溫、四電極探頭測量電導(dǎo)率的方法, 應(yīng)用MEMS技術(shù)研制新型溫鹽傳感器探頭, 可在一塊基板上一次成型100余個(gè)溫鹽傳感器探頭, 且一致性好, 減少了后續(xù)對傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)環(huán)節(jié), 大大降低了制造和校準(zhǔn)檢測成本。

新型四電極電導(dǎo)率傳感器采用開放式片式結(jié)構(gòu), 保證良好的水交換特性, 工作時(shí)無需帶泵, 既大大降低了功耗, 也保證測量水團(tuán)盡量不被擾動破壞。傳感器探頭設(shè)計(jì)尺寸為8 mm×14 mm, 體積很小, 溫度滯后對電導(dǎo)率測量的影響很小。兩個(gè)傳感器的時(shí)間常數(shù)均控制在20 ms以內(nèi), 保證測量同步性, 可有效消除鹽度測量尖峰。為保證傳感器的長期穩(wěn)定性, 電導(dǎo)率電極與溫度傳感器均采用Pt電極和SiN薄膜。而后將溫鹽傳感探頭、信號處理模塊、電源控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、狀態(tài)查詢與反饋模塊集成于小型傳感器節(jié)點(diǎn)中(如圖5所示), 傳感器節(jié)點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)電氣接口實(shí)現(xiàn)即插即用、隨意替換, 與其他傳感器節(jié)點(diǎn)組成陣列(鏈), 實(shí)現(xiàn)海洋上層的快速、連續(xù)剖面溫鹽變化。

圖4 海洋牧場物聯(lián)網(wǎng)水面小浮子結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 基于MEMS技術(shù)的低成本溫鹽傳感器探頭結(jié)構(gòu)和封裝節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用需求, 新型葉綠素傳感器, 采用光學(xué)熒光法, 基于光電混合集成芯片技術(shù), 將LED光源、法布里-波羅(Fabry-Perot)干涉腔、光接收器、信號調(diào)制處理電路等高度集成, 實(shí)現(xiàn)葉綠素傳感器的小型化。短的光傳播路徑降低對光源功率的要求, 大大降低傳感器功耗。采用LED脈沖調(diào)制光源去除或避免太陽光對傳感器測量產(chǎn)生的誤差。

葉綠素傳感器采用450 nm LED脈沖調(diào)制光源作為激發(fā)光源, 通過光纖進(jìn)行信號傳輸, 激發(fā)光源通過光纖末端的準(zhǔn)直器以一定角度射入法布里-波羅(Fabry-Perot)干涉腔。FP腔中充滿海水, 光源在腔中形成反射, 不斷激發(fā)海水中葉綠素發(fā)出的熒光。激發(fā)出來的680 nm的脈沖調(diào)制熒光通過光纖被光電二極管吸收, 實(shí)現(xiàn)對葉綠素濃度的測量。經(jīng)脈沖調(diào)制后的450 nm LED光源區(qū)別于太陽光, 接收激發(fā)的熒光信號時(shí)可以有效避免太陽光對測量產(chǎn)生的影響, 如圖6所示。

為實(shí)現(xiàn)葉綠素的原位、實(shí)時(shí)和精細(xì)化測量, 將傳感器設(shè)計(jì)為小型化標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn), 如圖7所示。節(jié)點(diǎn)頂端開槽, 槽內(nèi)制作FP腔做為傳感部分, LED光源通過透明窗口入射至FP腔, 激發(fā)的熒光通過窗口完成收集。光信號處理模塊、信號處理模塊、供電模塊及數(shù)據(jù)通信模塊全部封裝在40×25 mm小型節(jié)點(diǎn)內(nèi)。高集成度的光路設(shè)計(jì)可以有效降低LED光源功率, 高集成度的電路模塊可以降低電路功耗, 小型標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)傳感器的一致性, 有效降低成本, 多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)可形成水下陣列, 通過標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)供電、通信、即插即用和隨意更換。

圖6 基于光電集成混合芯片的微型葉綠素a傳感器測量原理圖

圖7 葉綠素a傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

基于以上的幾型小型智能化傳感器和組網(wǎng)成陣觀測理念, 設(shè)計(jì)形成一種海洋傳感器鏈。采用MEMS技術(shù)制作具備通用數(shù)字接口和智能化自校準(zhǔn)功能的溫鹽深和葉綠素、溶解氧等參數(shù)傳感器, 相比國外現(xiàn)階段傳感器探頭, 具有更加微小型化、高一致性、低功耗、低成本的特點(diǎn), 以通用的傳輸協(xié)議組成多節(jié)點(diǎn)觀測鏈, 懸掛于小浮子下端, 實(shí)現(xiàn)對上層海洋葉綠素、電導(dǎo)率(鹽度)、溫度、壓力、溶解氧、海流等多參數(shù)水下觀測。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)低成本高速高可靠水下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

海洋牧場在線監(jiān)測網(wǎng)主要由監(jiān)測平臺(小浮子)、監(jiān)測傳感器(鏈)和無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)組成。其中無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)要完成兩個(gè)重要任務(wù): 一是由水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(underwater sensor networks, USN)將各水下節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫「∽拥乃辖K端, 二是由水上網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)小浮子與海洋牧場監(jiān)測預(yù)警中心的互聯(lián)互通, 所以低成本高速高可靠的水下和水面通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海洋牧場監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的關(guān)鍵技術(shù)。海洋牧場監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)要將生成的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括圖像、視頻等)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。近年來, 隨著圖像和視頻智能識別技術(shù)的發(fā)展, 雖可只需傳輸提取的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù), 可大大壓縮傳輸數(shù)據(jù)量, 但傳輸速率仍需達(dá)到500 kbp以上[12]?，F(xiàn)有USN采用的通信技術(shù)主要是有線傳輸和無線傳輸兩種。第一種是采用類似陸地的電纜直連傳輸方式, 但其需要解決電纜水密性、多節(jié)點(diǎn)通信可靠性以及通信電纜與錨系水下纏繞的問題。第二種方式是無線傳輸, 即應(yīng)用電磁波或聲學(xué)原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。其中水聲通信在海水介質(zhì)里可實(shí)現(xiàn)長距離傳輸, 但其傳輸性能受低帶寬、時(shí)變多徑傳播、高延時(shí)和多普勒擴(kuò)散的限制[13], 在長距離(km)通信下其數(shù)據(jù)傳輸率僅為幾十kpb, 不能滿足傳輸需求[14]。電磁波傳輸具備更高的帶寬和更快的速度, 但在水下應(yīng)用, 受海水介質(zhì)電導(dǎo)率等參數(shù)的影響, 其傳播范圍會受到基波衰減和噪聲因素的限制, 其工作在2.4 GHz的頻率時(shí), 在海水中衰減大約1 600 dB/m, 只能實(shí)現(xiàn)幾十厘米的短通信距離[15]。而且電磁波傳輸需要解決水下接駁, 電纜或光纖纜的水密等復(fù)雜問題, 且無法自由變換位置, 大大限制了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

因上述兩種方法存在的缺點(diǎn), 國內(nèi)外海洋技術(shù)專家創(chuàng)新研發(fā)了感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù), 這種技術(shù)介于上述兩種方法之間, 將小浮子系留包塑鋼纜與海水構(gòu)成的回路, 利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無接觸水下多節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸。傳輸原理類似兩級變壓器原理, 小浮子系留包塑鋼纜兩端與海水接觸, 形成單匝回路, 水下每臺儀器的數(shù)據(jù)信息通過載波加到耦合磁環(huán)的初級繞組上; 在鋼纜與海水串聯(lián)構(gòu)成的單匝回路中感應(yīng)出電流; 該電流又在水上終端耦合磁環(huán)次級繞組上感應(yīng)出電動勢; 該電動勢送到終端解調(diào)以獲得水下送來數(shù)據(jù)。

該傳輸方式無任何直接電氣連接, 在可靠性和造價(jià)上明顯優(yōu)于其他傳輸方式; 且傳輸距離遠(yuǎn), 可覆蓋海洋全部深度, 具有全天候?qū)崟r(shí)采集傳輸海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。目前, 國際上知名海洋儀器廠商已經(jīng)開發(fā)出了滿足多節(jié)點(diǎn)海洋觀測應(yīng)用需求的產(chǎn)品, 傳輸速率最快可達(dá)9 600 bp[16], 但面對海洋牧場監(jiān)測網(wǎng)的需求仍要對現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)的傳輸能力進(jìn)行有效提升。

傳統(tǒng)感應(yīng)傳輸方式由于耦合信道的“窄帶”特性, 采用傳統(tǒng)的單載波調(diào)制方式提高信號傳輸速率會受到信道的噪聲容限及有效帶寬的限制。那么, 采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing, OFDM)技術(shù)以降低單個(gè)載波傳輸速率的方式來獲得更高的信噪比增益, 以增大載波的數(shù)量來提高信道帶寬利用率, 最終提高系統(tǒng)的傳輸速率。針對OFDM技術(shù)子載波調(diào)制方式靈活性的特點(diǎn), 根據(jù)耦合信道的特性選擇合適的子載波調(diào)制方式, 信道條件較差時(shí)選擇抗誤碼性能較強(qiáng)的低階調(diào)制方式(如2PSK, QPSK), 信道條件較好時(shí)選擇傳輸效率較高的高階調(diào)制方式(如16QAM, 64QAM)。在調(diào)制方式確定的情況下設(shè)計(jì)合理的星座圖映射, 提高耦合信道的傳輸速率, 達(dá)到1 Mbp。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)低成本水面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

支撐海洋牧場監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的核心環(huán)節(jié), 除了前端智能浮標(biāo)技術(shù)、低成本傳感器陣列等之外, 還要適于浮標(biāo)的低功耗、實(shí)時(shí)、可支持圖像端視頻等較大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)?、且具有穩(wěn)定業(yè)務(wù)化能力的水面無線通信技術(shù)。海洋牧場環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸需要覆蓋很長的距離, 功耗要求比較高, 且海洋是一個(gè)不斷運(yùn)動的環(huán)境, 通信信號衰減比較嚴(yán)重。從目前來看, 傳統(tǒng)觀測系統(tǒng)中應(yīng)用的美國銥星系統(tǒng)符合要求, 但其通信費(fèi)用很高, 并不適用海洋牧場。而遠(yuǎn)程LoRa是最成功的LPWAN技術(shù)之一, 它能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程低功耗通信[17], 其通信距離可達(dá)5 km以上, 若每1 min采集一次數(shù)據(jù), 兩節(jié)5號電池可供LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作3年左右[18]。LoRa技術(shù)的LoRaWAN集成遵循物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通用集成規(guī)則, 它的速率自適應(yīng)機(jī)制, 可以使不同傳輸距離的設(shè)備根據(jù)傳輸狀況, 盡可能使用最快的數(shù)據(jù)速率, 使得整體的數(shù)據(jù)傳輸更有效率, 非常適合于傳感器數(shù)據(jù)組網(wǎng);, 而在價(jià)格上, 單節(jié)點(diǎn)的LoRa芯片的價(jià)格為幾十元, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前衛(wèi)星通信的價(jià)格, 大大降低了該系統(tǒng)的應(yīng)用成本, 可滿足海洋牧場的多要素監(jiān)測海量數(shù)據(jù)通信傳輸長距離、低功耗、低成本、穩(wěn)定可靠的需求。

3 總結(jié)

現(xiàn)代化海洋牧場需要對牧場生態(tài)環(huán)境進(jìn)行多要素立體實(shí)時(shí)監(jiān)測, 傳統(tǒng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸手段存在著成本高、不能大量布設(shè)等問題, 成為構(gòu)建智能化的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的瓶頸問題。本文基于陸地上蓬勃發(fā)展的所謂泛在感知的“物聯(lián)網(wǎng)”理念, 設(shè)計(jì)了一種基于低成本小浮子的海洋監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案, 對于如何解決實(shí)現(xiàn)低成本和高可靠的小浮子、多要素傳感器鏈、水下數(shù)據(jù)傳輸和水面組網(wǎng)通信等問題提出了具體解決措施。這些研究成果后續(xù)可以為海洋牧場或其他海洋觀測系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)支撐, 將一定程度改變當(dāng)前監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)投入中存在的的技術(shù)手段傳統(tǒng)、落后、低效、信息化程度低等問題, 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

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Internet of things technology for online monitoring of marine ranch ecological environments

JIA Wen-juan, ZHANG Xiao-wei, YAN Chen-yang, LI Hong-zhi

(National Ocean Technology Center (NOTC), Tianjin 300112, China)

The online monitoring network of a marine ranch ecological environment is an important development in the field of marine ranch construction. The traditional marine monitoring system is large, expensive, and consumes high power. Investing heavily from the pasture construction to form a monitoring network is not possible; thus, a low-cost marine monitoring method is urgently needed. Such a network should have a large area, high space density, and network monitoring capability in the way of distributed Internet of Things (IoT). Traditional technology cannot solve this problem. In this paper, based on the microelectromechanical systems technology, many low-cost monitoring small floats with a “swarm bee” layout, high spatial-temporal resolution, and environmental and biological population characteristic monitoring are developed. Each small float is hung with a multinode sensor chain and a video monitoring node. Low-cost means of surface and underwater wireless transmission are used for network observation. Thus, a new solution is proposed for constructing intelligent three-dimensional monitoring IoT of a marine ranch environment.

marine ranch; online monitoring; low cost; Internet of things

Nov. 10, 2020

P715.5

A

1000-3096(2022)01-0083-07

10.11759/hykx20201110002

2020-11-10;

2021-05-30

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目(2017YFC1403304); 廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目(2020B1111020001)

[Key project of national key Research and development Plan, No. 2017YFC1403304; Key project of Guangdong key Research and development Plan, No. 2020B1111020001]

賈文娟(1983—), 女, 河北邯鄲人, 碩士, 高級工程師, 主要從事海洋測量傳感器技術(shù)研究, 電話: 13820237690, E-mail: jwj219@ 163.com; 李紅志(1975—),通信作者, 電話: 13920354467, E-mail: lihongzhi6535@126.com

(本文編輯: 康亦兼)