基于水下接驳盒的深海海底观测网络设计
水下声学监测的传感器网络设计
水下声学监测的传感器网络设计一、引言在当今科技飞速发展的时代，水下声学监测在海洋科学研究、资源勘探、环境保护以及国防安全等领域发挥着至关重要的作用。
为了实现高效、准确和全面的水下声学监测，设计一个合理且有效的传感器网络成为了关键。
二、水下声学监测的需求与挑战（一）监测需求水下声学监测的需求多种多样，包括对海洋生物的声学行为监测、海底地质结构的探测、水下航行器的跟踪以及海洋环境噪声的评估等。
不同的应用场景对监测的精度、范围、频率响应等都有特定的要求。
（二）环境挑战水下环境复杂且恶劣，给声学监测带来了诸多挑战。
水的压力、温度、盐度等因素都会影响声音的传播速度和衰减特性。
此外，水流、海洋生物的活动以及海底地形的变化也可能导致声学信号的干扰和失真。
（三）技术难题在水下声学监测中，传感器的功耗、数据传输的可靠性、传感器节点的定位精度以及网络的同步性等都是需要解决的技术难题。
三、传感器网络的组成与架构（一）传感器节点传感器节点是网络的基本单元，通常包括声学传感器、信号处理模块、电源模块和通信模块。
声学传感器负责接收水下声学信号，信号处理模块对其进行放大、滤波和数字化处理，电源模块为节点提供能量，通信模块则用于与其他节点或基站进行数据传输。
（二）网络架构水下声学传感器网络的架构可以分为集中式、分布式和混合式。
集中式架构中，所有数据都传输到一个中心节点进行处理和分析；分布式架构中，每个节点都具有一定的处理能力，可以独立地完成部分数据处理任务；混合式架构则结合了两者的优点，在局部区域采用分布式处理，而在全局范围内采用集中式管理。
四、传感器节点的设计要点（一）声学传感器的选择声学传感器的性能直接影响监测的效果。
在选择时，需要考虑其灵敏度、频率响应范围、指向性以及噪声水平等参数。
例如，对于监测低频海洋生物声学信号，需要选择具有较低频率下限和较高灵敏度的传感器；而对于跟踪高速移动的水下目标，则需要具有良好指向性和快速响应能力的传感器。
深海潜标观测数据无线实时传输系统设计
深海潜标观测数据 无线 实时传输 系统设计
徐 立 军 １，２ 侯朝 焕 ’，鄢 社锋 １，２ 张震 ’ 曾迪 ’ ，
（１．中国科学院声学研究所，北京 １００１９０；２．中国科学院大学，北京 １００１９０）
摘 要：针对深海潜标数据 实时传输 的需求 ，设计 了一种无 线数 据实时传输技术方案 ，实现在长达一年时 间 内 对 深 海 潜 标 流 速 数 据 的实 时获 取 。 由于 水 介 质 和 空 气 介 质 的不 同 ， 该 方 案 在 水 下 和 水 上 采 用 了不 同的 数 据 通 信传输技术 ，其 中在水下采用 了无线 水声通信方式实现深海潜标数 据实时获取 ，而在水上则采用铱星通信 的 方 式 将 数 据 中继 回传 到 陆地 的监 控 中 心 ，该 系 统 设 计 完 成 后 在 西太 平 洋 深 海 潜 标 上 进 行 了实 际 应 用 ，并 经 过了长时间的稳定运行 。实 际运行过程表 明，该系统完全能够 实现潜 标数据实时获取功能 ，在多种海况条件 下表 现 出优 异 的 可靠 性 和 稳 定 性 。 关键词 ：水 声通信 ；深海潜标 ；实时传输 中 图分 类号 ：Ｐ７１５．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．１ １９５９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０８０１．２０１８１９４
收稿 日期 ：２０１８—０５—０１；修 回 日期 ：２０１８－０６—０９ 通 信作 者 ：鄢社 锋 ，ｓｆｙａｎ＠ｍａｉｌ．ｉｏａ．ａｃ．ｃａ 基 金项 目： 国家 自然科 学基 金资助 项 目 （Ｎｏ．６１５３１０１７，Ｎｏ．６１４３１０２０） Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｉｔｅｍｓ：Ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔ ｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕ ｎｄａｔｉｏｎ ｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．６１５３１０１７，Ｎｏ．６１４３１０２０）
加拿大“海王星”海底观测网络系统
加拿大“海王星”海底观测网络系统
加拿大“海王星”海底观测网络系统
作者：李彦;Kate Moran;Beno(i)t Pirenne
作者机构：国家海洋技术中心,天津300112;Ocean Networks
Canada,University of Victoria, V8W 2Y2;Ocean Networks
Canada,University of Victoria, V8W 2Y2
来源：海洋技术
ISSN：1003-2029
年：2013
卷：032
期：004
页码：72-75,80
页数：5
中图分类：P274+.2
正文语种：chi
关键词：海底观测网;NEPTUNE Canada;水下接驳;数据管理
摘要：海底观测科学正朝着多元、立体、实时、长期、持续的趋势发展.加拿大“海王星”海底观测网(NEPTUNE Canada)是世界上第一个区域性海底电缆观测网络,位于加拿大西海岸20万km2的胡安·德富卡板块的北部,拥有全长800 km的主干网,5个海底观测站,自2009年12月业务运行以来为海洋学界的科学家们源源不断地提供着各种宝贵数据.首先对该系统工程的建设规模等基本构架进行简要介绍,然后从科学与机遇、关键技术、安全措施、业务运行与管理等方面阐述了该网络工程在设计、建造和运行整个过程中的几个主要关键问题,希望以此为我国海底观测工程的建设提供参考.。
水下传感器网络的设计与应用
水下传感器网络的设计与应用在当今科技飞速发展的时代，水下传感器网络作为一种新兴的技术手段，正逐渐在多个领域展现出其重要的应用价值。
无论是海洋科学研究、水下资源勘探，还是海洋环境监测和国防安全等方面，水下传感器网络都发挥着不可或缺的作用。
水下传感器网络，简单来说，就是由多个部署在水下的传感器节点组成的网络系统。
这些传感器节点能够感知、采集和传输水下环境中的各种信息，如水温、水压、水流速度、水质以及水下物体的运动等。
要设计一个高效可靠的水下传感器网络，可不是一件容易的事情。
首先得考虑传感器节点的硬件设计。
由于水下环境的特殊性，这些节点必须具备良好的防水、抗压和耐腐蚀性能。
同时，为了保证长时间的稳定工作，它们还需要具备低功耗的特点，毕竟在水下更换电池或者进行能源补给可不是一件轻松的事儿。
在能源供应方面，太阳能在水下可没法使用，所以一般会采用电池供电或者利用海洋中的能量，比如潮汐能、温差能等。
但这些能源的获取和转化技术目前还存在一定的挑战，需要不断地研究和改进。
通信问题也是水下传感器网络设计中的一个关键难题。
在水下，电磁波的传播受到很大的限制，而声波则成为了主要的通信手段。
但声波在水下传播时，速度较慢、衰减较大，而且容易受到多径效应和噪声的干扰。
因此，如何提高通信的效率和可靠性，是研究人员一直努力解决的问题。
为了实现有效的通信，通常需要采用合适的通信协议和算法。
比如，在网络拓扑结构的设计上，要考虑节点的分布和连接方式，以确保信息能够快速准确地传输。
在数据传输过程中，还需要进行数据压缩、纠错编码等处理，以减少数据量和提高数据的准确性。
除了硬件和通信方面的设计，软件算法也同样重要。
比如，如何对传感器节点进行有效的定位和时间同步，如何进行数据的融合和处理，以及如何实现网络的自组织和自适应等，这些都需要精心设计的算法来支持。
在实际应用中，水下传感器网络有着广泛的用途。
在海洋科学研究中，它可以帮助科学家们收集海洋中的各种数据，从而更好地了解海洋的生态系统、气候变化以及海洋环流等现象。
基于海底传感网络的数据收集与处理系统优化
基于海底传感网络的数据收集与处理系统优化海底传感网络（Underwater Sensor Networks，USNs）是指一种在水下环境中布置传感器节点，利用水中声波或电磁波进行信息传输和收集的网络系统。
由于海洋覆盖了地球表面的大部分区域，深海资源的开发和海洋环境的监测对于人类的可持续发展至关重要。
因此，如何优化基于海底传感网络的数据收集与处理系统成为当前研究领域的热点。
在海底传感网络中，传感器节点的耗能问题是制约系统性能和寿命的主要因素之一。
传感器节点的分布通常是随机的，节点之间的通信距离相对较短，因此传感器节点的能量供应主要依靠能量收集和共享。
为了优化数据收集和处理系统，我们需要考虑以下几个方面：首先，优化能量收集。
海底传感网络中的传感器节点通常由能量受限的电池供电，因此能量收集是非常关键的。
目前已经有一些方案可以通过能量收集技术，如太阳能电池和水流能收集装置等，为传感器节点提供持续的能量供应。
同时，还可以通过优化节点能量使用策略，例如功率控制和节点休眠等方式，减少能量的消耗，延长系统的寿命。
其次，优化数据传输。
由于水的折射和传播损耗等影响，海底传感网络中的数据传输受到很大的挑战。
为了提高数据传输的可靠性和效率，可以采用多径传输、自适应传输协议和错误控制编码等技术。
此外，还可以利用节点的位置信息和智能路由算法，选取最佳路径进行数据传输，降低信号衰减和传输延迟。
第三，优化数据处理。
海底传感网络中的传感器节点通常能够采集到大量的海洋数据，但如何高效地处理这些数据是一个关键的问题。
一种解决方案是利用数据压缩和数据冗余消除等技术，减少数据的传输量和存储开销。
此外，还可以利用分布式数据处理和协同计算等方法，提高数据处理的效率和准确性。
最后，优化网络拓扑结构。
海底传感网络中传感器节点的布置往往是随机的，因此网络拓扑结构的优化对于系统性能的提升至关重要。
一种常见的优化方法是利用节点的位置信息，设计合理的网络拓扑结构，如星型、网状和集群等形式，以降低节点通信能耗和传输延迟。
海洋深部水文气候监测与预测系统设计
海洋深部水文气候监测与预测系统设计 海洋深部水文气候监测与预测系统设计 引言： 海洋深部水文气候监测与预测系统是现代海洋科学研究的重要组成部分。随着人类对海洋资源的研究和利用日益深入，对海洋深部的水文气候变化进行监测与预测显得尤为重要。本文将介绍一种基于现代技术手段的海洋深部水文气候监测与预测系统的设计。 系统设计： 1. 数据收集：首先，需要布置一定数量的观测站点。这些观测站点可以固定在海底，也可以布置在潜水器、探测器等可移动平台上。观测站点获取的数据包括海水温度、盐度、流速、浊度等物理量的变化情况。 2. 数据传输：观测站点上的传感器会实时监测并记录海洋深部的水文气候数据。为了将这些数据传输回陆地上的数据处理中心，可以利用卫星通讯等现代通信技术，实现实时远程数据传输。 3. 数据处理：陆地上的数据处理中心会接收并存储来自观测站点的海洋深部水文气候数据。通过数据处理算法，可以将原始数据进行分析、整合和预处理，提取变化的趋势和规律。 4. 数据模型建立：基于观测数据，可以建立海洋深部水文气候的数学模型。这些模型可以包括统计模型、机器学习模型、数值模拟模型等。模型的建立可以在数据处理中心或者云平台上进行。 5. 预测与监测：通过建立的数学模型，可以对海洋深部水文气候进行预测。预测结果可以用于提醒相关部门和人员，以便采取相应的措施应对可能发生的海洋深部水文气候变化。同时，监测系统也可以实时监测海洋深部的水文气候变化，及时更新数据和模型，提高预测的准确性和及时性。 6. 可视化展示：为了方便用户的使用和理解，可以将监测和预测的结果通过图表、地图等形式进行可视化展示。用户可以通过互联网等渠道查看海洋深部水文气候的实时监测数据和预报情况。 结论： 设计一套海洋深部水文气候监测与预测系统需要涵盖数据收集、传输、处理、模型建立、预测与监测以及可视化展示等环节。通过该系统的建立，可以更好地了解和预测海洋深部水文气候的变化，为海洋管理和资源利用提供科学依据。随着技术的进一步发展，海洋深部水文气候监测与预测系统的设计和应用将会更加完善和广泛。
一种AUV水下接驳系统的设计与研究
一种AUV水下接驳系统的设计与研究吴哲;羊云石;程烨;林婕;岳志杰;顾海东【摘要】AUV水下接驳系统主要用于海底观测网的能量补给与信息交互,是观测网建设的关键技术.本文介绍了一种自主研发的AUV水下接驳系统,并对系统的接驳流程进行阐述.该系统在渤海海域已进行了数十次对接试验,得到了超过90％的接驳成功率.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2018(040)009【总页数】3页(P130-132)【关键词】海底观测网;AUV;水下接驳【作者】吴哲;羊云石;程烨;林婕;岳志杰;顾海东【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一五研究所,浙江杭州 310023;中国船舶重工集团公司第七一五研究所,浙江杭州 310023;中国船舶重工集团公司第七一五研究所,浙江杭州 310023;中国船舶重工集团公司第七一五研究所,浙江杭州310023;中国船舶重工集团公司第七一五研究所,浙江杭州 310023;中国船舶重工集团公司第七一五研究所,浙江杭州 310023【正文语种】中文【中图分类】TP240 引言随着海洋工程建设的不断推进，海底观测网在近几年被各国广泛关注，甚至在某些国家已经初步布设完成[1]。
海底观测网整合了先进的海洋观测技术及手段，可以对海洋进行全天候、高密度、多要素地探测。
而作为观测网中的任务执行主体，无人水下平台（AUV）目前由于技术的局限，其数据通信与能量补给只能通过与接驳站对接来实现。
因此，稳定可靠的水下接驳技术，将是建设海底观测网的关键。
近几年由于相关需求的出现，国内外在对接技术上都有大量的研究出现[2 – 8]，涵盖接驳站结构、接驳导引方式等方向。
本文介绍了一种自主研发的AUV水下接驳系统，概述了系统中水下无人平台与接驳站的相关设计。
该接驳系统已经在渤海海域进行了长达半年的布放，进行了数十次的接驳试验，验证了可靠性[1]。
1 水下无人平台作为海底观测网的主要功能执行者，无人水下平台是一个搭载有多种传感器并具有自主运动功能的智能航行器。
无线传感器网络海洋水环境监测系统设计方案
基于无线传感器网络海洋水环境监测系统设计引言近几年来，随着海洋事业的迅速发展，海洋环保已经提上议事日程。
因此，海洋水环境监测成为人们越来越关注的焦点。
无线传感器网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域，能够实时地感知、采集和处理网络覆盖范围内的对象信息，并发送给观察者。
它具有覆盖区域广，可远程监控，监测精度高，布网快速和成本低等优点。
把无线传感器网络技术应用到海洋水环境监测系统中，是人们近几年来研究的焦点。
Zigbee与其他的无线通信标准相比，适用于吞吐量较小，网络建设投资小，网络安全性高，不便于频繁更换电源的场合。
在工业控制领域利用传感器基于Zigbee技术组成传感器网络，可以使得数据采集和分析变得方便和容易。
Zigbee网络用于传感网络的组建很重要的一点在于它的低功耗，其发射功率仅为0～3．6dBm；它的通信距离可达30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，可以自动地对自身的发射功率进行调整，可以在保证通信链路质量的前提下最小地消耗能量。
网络功能是Zigbee最重要的特点，也是与其它无线局域网标准不同的地方。
在网络层方面，Zigbee的主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组态与自我修复功能。
IEEE802．15．4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kb／s)、工作在2．4GHz 和868／928MHz的无线技术，网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和链路层标准。
完整的zigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成。
协议栈结构如图l所示。
1 传感网络的构成本文设计的无线传感器网络的组成包括传感器节点、汇聚节点和网关节点，主要负责探测海洋区域内的各种情况，包括油污检测、浊度测量、化学需氧量测量、海藻测量等等。
传感器节点主要负责网络的形成，海洋各项参数的采集，并将数据通过多跳的形式传输到汇聚节点。
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现了对基站传输 来的高压直流 电能 的转换 ，得到适合各种海
底观测传感器使 用的低压直流 电能 。
图 ２ 水下按驳盒节点的硬件结构
水下接驳盒采 用超低功耗 ＭＳ ４ ０ ｌ９单片机作为 电能 Ｐ ３ Ｆ ４
处理 。 自定义通信协议规定基站监控 中心作为客户机 ，水下 接驳盒节点作为服务器 ，在基站上位机 中实现 了轮询机制 。
管理 控制模 块的主 控制器 。。该单片机具有 ２ ＫＢ Ｒ Ｍ， Ａ ６ Ｂ Ｆ ＡＳ ０ Ｋ Ｌ Ｈ，串口模块 ＵＳ Ｔ ＡＲ ０和 Ｕ Ａ Ｔ１ Ｓ Ｒ ，并配置有
１ ２位 Ａ Ｄ转 换 器 。 ／
海底观测传感器 的工作 电流等信号经过信号调理 电路传 到 ＭＳ ４ ０ １９单片机 的 Ａ Ｄ转换器转换为数字信号 。信号 Ｐ３Ｆ４ ／ 调理部分完成信号的放大、滤波 等，使信 号满足模 数转换 的 要求 ，然后对信号进行 Ａ Ｄ转换 ，实现了海底观测 传感器工 ／
６ 结束语
本文提 出了一种基于水 下接驳盒 的深海海底观测 网络系
ｒ— —————一
＜运蜜 ＞
ｌ Ｙ
统 ，设计 了系统的总体 结构 及其 软硬件模 块。所研制 的水下
接驳盒作 为深海海 底观测 网络的关键 水下监控 节点 ，能够可
：二 至 ＝ — 霜 ＝ 至 二＝；二 二垂至＝ ： ＿ 羹 ——
现对复杂海底环境参数的测量。本文主要选用了 以下 ３种海 底观测仪器设备 ：Ｄａ ｌｇ ｅ ｔ ｏ ｇｒ海底原 位传感器 ，热 电偶 温度 ａ
传感器和水下摄像 机。
图 ３ 基 站监控软件的功能框 图
如图 ４所示 ，本文所设计 的应用层 自定义协议帧结构主
要包括 ：帧开始符 ，帧长度 ，源站地址 ，目的站地址 ，帧命
３ 水下接驳盒子系统 ． ２ 水下接 驳盒 节点 的硬件结构如 图 ２所示。水 下接驳盒主
要包括 ２个子模块 ： 数据采集监测模块和 电能管理控制模块。
接 驳盒 的嵌 入式工控机 Ｅ ３１２ Ｃ Ｄ Ａ 完成 了各种海底观 Ｃ —６ １ Ｌ Ｎ 测 传感器 的原始数据采集 。Ｄ 一０ １ Ｆ视频服务器实现 了对 Ｓ６ ０ Ｈ
计
算
机
工
程
２ １ 年 ９月 ２ ０１ ０日
海底观测传感器一 般分 为物理 的、化学的和生化的 ３ 种
压直 流输变 电设备先把 ＡＣ３０Ｖ市 电转换 为 Ｄ ０ Ｖ高压 ８ Ｃ １ ｋ 直 流电 ，再把 ＤＣ １ Ｖ高压直流 电通 过海 底电缆传输至水 ０ｋ
下接驳盒 。
文 钟 完 成 整 个 海 底 观测 网络 系统 的精 确 时 间 同步 。 １ Ｖ 高 ０ｋ
水 下摄像机 图像信息 的采集和传输 。 Ｉ Ｎ ２０ —Ｓ光以太 网 Ｋ Ｅ ０ ０２
交 换 机 用 于 实 现 和 基 站 监 控 中 心 的 光 网络 物 理 连 接 。 ＤＣ１ Ｖ ４ ０Ｖ转换模块 和 ＤＣ ０ ／４１／ Ｖ转换模块实 ０ｋ ／０ ４ ０Ｖ ２１２５
类型（Ｔ Ｃ Ｄ温盐深剖面仪 、 ＤＣ Ａ Ｐ洋流仪、 度仪和荧光计等） 浊 ， 用来实现海洋动力参数 、理化参数和光学参数的采集监测。
３ 深海海底观测网络系统硬件设计
３１ 基 站监 控中心子 系统 ． 基站监控 中心 的主要硬件设备包括监控工作站、数据库
服务器、Ｇ Ｓ卫 星天文钟 、１０ ａｅ Ｆ 光以太 网交换机、 Ｐ ０ Ｂ ｓ Ｘ
作 电流和温度 等信号 的采集和监测 。 ＭＳ ４ ０ １９单片机还能够接收基站监控中心的控制指 Ｐ ３Ｆ４ 令 ，并通过控制机械继 电器 的开关 ，实现对各 个海底观 测传 感器的供 电控制。
３ 海 底观测传摩器子 系统 ． ３
深海海底观测 网络通过各种 专用的海 底观 测传感器 ，实 Leabharlann 第 １ ８期 开始
卢汉 良， 李德骏 ， 灿军 ， ： 杨 等 基于水下接驳盒 的深海海 底观测 网络设 计
２ １
初始化ｓ ｃｅ对象 ｏｋ ｔ 启动接驳盒 网络监 听进程
等待基站监控工作站连接
Ｎ
＝堡 塑 兰 苎 竺 塑二 二
接收基站监控工作站 下发的 自定义协议帧
图 ６ 联调实验 中采集 翻的温度数据界面圜
１０ ａｅＴ 网络交换机和 １ Ｖ高压直流输变 电设备等 。 ０ Ｂ ｓ Ｘ ０ｋ 监控工作站通 过 １０ ａｅ Ｆ 光 以太 网交换机 ，采用海 ０ Ｂ ｓ Ｘ 底光缆连接水下接驳盒 ，并与水下接驳盒的主控模块通信 ， 实现 了对各种海底观测传感器原始数据信息 的实时采集 。数
据库服务器对各种分析 处理 后的数据进行存储 。Ｇ Ｓ卫星天 Ｐ
各 传 Ｉ数 帧 Ｉ ｌ 观 感 Ｎ据 Ｉ Ｔ 测 器 组 采 集
向基站监控工作站发送 自定义协议帧数据
靠地工作在深 海海底 的特殊 高压 环境 下，并实现对各种 海底
令 ，帧数据 ，Ｃ Ｃ冗余校验码和 帧结束符 。 Ｒ
４ 深海海底观测网络系统软件设计
如图 ３所示，基站监控软件 的主要功能是实现海底观测 传感器 的数据采集 、处理和存储 ，同时还要完成各种控制指
令 的下 发 。基 站监控 软件 采 用了基于 面 向 Ｔ ＰＩ 协议 的 Ｃ／ Ｐ
Ｓ ｃ ｅ 通信机制的 ＣＳ结构 ， ｏｋ ｔ ／ 结合 Ｓ ｅｖｒ ０ ０商用数据 ＱＬＳ ｒｅ ２ ０ 库 ，采用 Ｖ ｓａ ｃ ＋ ｉ ｌ ＋ 编写。在深海海底观测 网络 中，应用层 ｕ 自定义协议 帧可 用来实现对水下接驳盒 所采集 的多个海 底观 测传 感器 数据 的二次封装 ，把各 种零散、无序 的原 始数据信
息以统一 的报文格式 ， 传送给基站监控 中心作进一步 的分析、
帧度 长
帧令 觜 … 命
图 ４ 应用层 自定义协议帧结构
嚣
水下接驳盒节点 的下位机软件 用于实现各种海底观测传 感器 的数据采集和继 电器 的开关控制等功能。图 ５是水下接
驳盒节点 的主程序流程 。
第 ３ ７卷