基于水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭君杰 ，劉志華 ，劉 鳳 ，王振力

（1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 211101；2.解放軍國際關(guān)系學(xué)院，江蘇 南京 210039）

基于水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭君杰1，2，劉志華1，劉 鳳1，王振力2

（1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 211101；2.解放軍國際關(guān)系學(xué)院，江蘇 南京 210039）

深入分析了我國海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不足與現(xiàn)實(shí)需求，提出一種基于水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，探討了系統(tǒng)的組成、架構(gòu)及其涉及的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計(jì)了可自主沉浮的水下傳感器節(jié)點(diǎn)，探討了水下傳感器節(jié)點(diǎn)間、系統(tǒng)與控制中心間的通信方式，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維仿真，最后對水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)；水聲通信；架構(gòu)；仿真

我國是海洋大國，海洋環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)列入國家中長期科技發(fā)展綱要[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已建成了包括海洋站、浮標(biāo)、調(diào)查觀測船、海監(jiān)飛機(jī)，以及利用國外遙感衛(wèi)星資料的海洋環(huán)境初級監(jiān)測網(wǎng)，但是和國外相比仍存在嚴(yán)重不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）缺乏立體探測能力。浮標(biāo)、潛標(biāo)、岸基臺(tái)站、海床基水下固定監(jiān)測站和船基等定點(diǎn)海洋監(jiān)測技術(shù)只能觀測到有限的點(diǎn)、面或?qū)哟蔚暮Ｑ笏囊兀O(jiān)測密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，沒有立體探測能力，且易受惡劣海洋環(huán)境制約，觀測成本高、時(shí)間長，同時(shí)難以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性、保密性和安全性等要求；

（2）探測種類有限。近年來發(fā)展很快的海洋遙感技術(shù)雖具有大尺度、快速、同步和高頻度動(dòng)態(tài)觀測等優(yōu)點(diǎn)，但目前只能觀測到海表面及其以上的一些環(huán)境要素，如流場、風(fēng)場等，且其測量結(jié)果在目前的技術(shù)條件下可信度仍較低，水下要素難以探測，同時(shí)探測結(jié)果易受到云量、掃描軌道和探測頻率等因素的嚴(yán)重影響[2-4]，難以滿足現(xiàn)實(shí)需求；

（3）機(jī)動(dòng)靈活性差。實(shí)時(shí)、機(jī)動(dòng)、靈活地獲取敏感海域水下溫度、鹽度等要素的能力明顯不足。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的、集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和無線通信模塊的節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。借助節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的多種傳感器對人們感興趣的各種現(xiàn)象進(jìn)行探測，最終實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界全方位的監(jiān)測與控制，也是下一代互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)景規(guī)劃中重要的組成部分[5]。2003年2月，麻省理工大學(xué)主辦的非營利性技術(shù)評論雜志將傳感器網(wǎng)絡(luò)總結(jié)為改變未來世界的十種新興技術(shù)之一[6]。傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不久由于其低成本、靈活性高等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了各國海洋界的青睞，其應(yīng)用的范圍已經(jīng)擴(kuò)展到了海洋。

國外海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中最有影響力的當(dāng)屬美國海軍的海網(wǎng)[7-8]水下聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)(Seaweb)。其目的是在軍事上可構(gòu)建可布放的自主分布系統(tǒng)，用于沿海廣大區(qū)域的警戒、反潛戰(zhàn)和反水雷系統(tǒng)，在民用領(lǐng)域可以實(shí)施控制、通信和導(dǎo)航功能，節(jié)點(diǎn)之間采用水下聲學(xué)通信技術(shù)，見圖1。

圖1 Seaweb示意圖

針對我國現(xiàn)有海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不足，本文提出了一種基于水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，針對系統(tǒng)架構(gòu)、水下節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、通信方式、仿真方法等內(nèi)容進(jìn)行了深入的研究和探討。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對現(xiàn)實(shí)需求，一個(gè)有效的海洋水文環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)必須滿足以下條件：

（1）有很高的靈活性，能夠按需求在預(yù)定海域快速布撒與組網(wǎng)，能夠?qū)崟r(shí)上報(bào)探測信息，這在軍事上尤為重要；

（2）具備立體探測能力；

（3）可長時(shí)間在水下自持工作。

為滿足上述要求，本系統(tǒng)由水面網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、水下傳感器節(jié)點(diǎn)、通信衛(wèi)星、無人飛機(jī)等部分組成（見圖2）。系統(tǒng)工作過程設(shè)想如下：

①傳感器節(jié)點(diǎn)和水面網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)被無人飛機(jī)或者船只投放到預(yù)定海域海面并進(jìn)入工作狀態(tài)；

②水面網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)漂浮在水面，傳感器節(jié)點(diǎn)利用自身搭載的定位儀完成自身位置的定位并回傳位置信息到指揮中心；

③指揮中心收到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的平面位置信息后利用三維拓?fù)渖伤惴ㄓ?jì)算各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要下潛的深度，然后將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要下潛的深度信息廣播給所有傳感器節(jié)點(diǎn)（該舉措是為了確保各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息是互相知道的，水下定位技術(shù)目前尚無突破性的進(jìn)展）；

④各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)收到深度信息后下潛到預(yù)定深度構(gòu)成水下立體監(jiān)測陣列，節(jié)點(diǎn)間采用水聲通信技術(shù)自動(dòng)組成水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過水面轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)向陸地控制中心回送探測數(shù)據(jù)。（為簡化研究，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)在水下的位置是固定的，暫不考慮洋流對其造成的位移影響）。

圖2 基于水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 水下傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

水下傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感單元、處理單元、無線收發(fā)單元和電源單元等部分組成，集成了通信、定位、沉浮、自組網(wǎng)等功能，并提供模塊化的傳感器通用接口電路，在實(shí)際應(yīng)用中只需通過搭載不同的傳感器就可以實(shí)現(xiàn)不同的探測功能與任務(wù)。

如何實(shí)現(xiàn)水下傳感器節(jié)點(diǎn)在水中的自主運(yùn)動(dòng)是一個(gè)重要的研究內(nèi)容。任何物體在水中實(shí)現(xiàn)沉、浮運(yùn)動(dòng)通常有三種途徑：一是改變物體的體積而重量保持不變；二是改變物體的重量而體積不變；三是增加或減少對物體所施加的外力。本研究采用了第一種途徑，即節(jié)點(diǎn)在水中沉浮是依靠改變其內(nèi)部體積來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的沉浮功能主要依靠液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)則由單沖程泵、皮囊、壓力傳感器和高壓管路等部件組成，皮囊裝在節(jié)點(diǎn)的外部，有管路與液壓系統(tǒng)相連。當(dāng)泵體內(nèi)的油注入皮囊后會(huì)使皮囊體積增大，致使節(jié)點(diǎn)的浮力逐漸增大而上升。反之，柱塞泵將皮囊里的油抽回，皮囊體積縮小，節(jié)點(diǎn)浮力隨之減小，直至重力大于浮力，節(jié)點(diǎn)體逐漸下沉。若在節(jié)點(diǎn)的控制微機(jī)中輸入按預(yù)定動(dòng)作要求編寫的程序，則微機(jī)會(huì)根據(jù)壓力傳感器測量的深度參數(shù)控制下潛深度、水下停留時(shí)間、上浮等工作環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)沉浮、測量等功能。由于使用無人機(jī)布撒，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成圓柱狀以保證其有很強(qiáng)的抗沖擊能力可以直接投入水中無需降落傘減速，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 通信技術(shù)

系統(tǒng)所涉及到的通信技術(shù)包括水下傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信、水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與控制中心間的通信。

3.1 水下傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信

聲波是人類迄今為止已知的唯一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，水下聲學(xué)通信是目前唯一投入使用的水下通信方式，典型的應(yīng)用如美國的海網(wǎng)seaweb計(jì)劃。目前國內(nèi)在水下聲通信方面以廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)為代表的科研單位已經(jīng)取得了很大的成果，盡管和國外先進(jìn)水平還存在一定的差距，但是考慮到海洋信息傳輸?shù)耐话l(fā)性，其傳輸速率、誤碼率等指標(biāo)基本上可以滿足水下通信的需要。

傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)功耗最高，接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)次之，休眠狀態(tài)功耗最低，以目前用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流傳感器Berkeley Motes為例，其通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)的功耗為60 mW，接收和空閑狀態(tài)的功耗均為12 mW，休眠狀態(tài)下功耗僅為0.03 mW，發(fā)送狀態(tài)和休眠狀態(tài)功耗比達(dá)到2 000∶1。因此將水下節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成兩種狀態(tài)：工作和休眠。當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，傳感器電路等模塊處于斷電狀態(tài)，只有當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)先設(shè)定的工作深度時(shí)上述部件才進(jìn)入工作狀態(tài)，一旦工作結(jié)束則重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。通信模塊發(fā)送完數(shù)據(jù)后就一直處于低功耗的偵聽狀態(tài)，以上措施可以有效降低能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與控制中心間通信

水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與陸上控制中心間可采用的數(shù)據(jù)傳輸方式目前主要有衛(wèi)星通信、流余通信、短波通信等，在前期研究中從安全性、數(shù)據(jù)傳輸速率、性價(jià)比、傳輸距離、功耗、成本等幾個(gè)方面對這幾種通信方式已經(jīng)進(jìn)行了對比研究。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的短報(bào)文通信能力可以滿足水面網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與陸上控制中心間的通信需求，其單次可以傳輸120字節(jié)的信息，已經(jīng)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，在國內(nèi)氣象部門已經(jīng)得到成功的應(yīng)用[9]。北斗星通公司的OEM模塊重量小于300 g，天線體積小，直徑僅為5 cm，發(fā)射功率10 W，可以滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。北斗二代的首顆衛(wèi)星于2010年1月17日已經(jīng)發(fā)射成功，預(yù)計(jì)不久的將來我國將擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，精度甚至略優(yōu)于美國的GPS。因此將北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信能力應(yīng)用于海洋水文信息的傳輸是完全可行且必要的。

流星余跡通信技術(shù)具有可靠性高、保密性好、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，特別適合海洋數(shù)據(jù)的突發(fā)性傳播[10]。國內(nèi)流星余跡技術(shù)已經(jīng)比較成熟。20世紀(jì)80年代我國開通了4條實(shí)驗(yàn)線路，效果良好。進(jìn)入21世紀(jì)以來國內(nèi)重新認(rèn)識(shí)到流星余跡通信對未來戰(zhàn)爭通信保障的重要性，加大了經(jīng)費(fèi)投入和科研力度，已經(jīng)研制出實(shí)用化的流星余跡通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，距離達(dá)到1 000 km以上，傳輸速率最高達(dá)到64 kbit/s，完全可以滿足需求。

除此之外近距離通信200 km以內(nèi)還可以考慮使用技術(shù)上更加成熟的CDMA通信單元、GPRS通信單元等。

4 仿真技術(shù)

由于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際組網(wǎng)耗資巨大，因此有效的仿真技術(shù)就顯得尤為重要。現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真主要是使用OPNET、NS等仿真軟件進(jìn)行仿真，而這些軟件主要是針對陸上無線通信環(huán)境而設(shè)計(jì)的。水下環(huán)境和陸地平面環(huán)境存在著巨大差異，如水中聲音的傳輸速度只有1 500 m/s，并且隨海水的溫度、鹽度等要素發(fā)生變化，因此借用上述仿真軟件得到的結(jié)果是否可信目前還存在很大的爭議，目前主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS運(yùn)行在unix系統(tǒng)下，源代碼開放，但是沒有三維仿真能力。課題組深入研究了NS的軟件架構(gòu)，結(jié)合開放式圖形用戶接口OpenGL技術(shù)初步設(shè)計(jì)開發(fā)了新的水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真軟件[11]，建立了三維仿真模型，將仿真結(jié)果進(jìn)行可視化輸出，如圖4所示。

圖4 基于OpenGL的水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)三維顯示

下一步將繼續(xù)結(jié)合水下聲學(xué)通信的特征改進(jìn)該仿真軟件進(jìn)行通信仿真，將分別從數(shù)據(jù)包交付率，平均端到端延時(shí)，總能量消耗等幾個(gè)方面和現(xiàn)有水下及陸上傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議進(jìn)行對比分析。

5 小結(jié)

本文在深入分析我國海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出一種基于水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境主體監(jiān)測系統(tǒng)。針對該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自主沉浮的水下節(jié)點(diǎn)，探討了水下傳感器節(jié)點(diǎn)間、系統(tǒng)與控制中心間的通信方式，開發(fā)了新的水下三維傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了初步的三維仿真。下一步將繼續(xù)結(jié)合水下聲學(xué)通信的特征改進(jìn)該仿真軟件進(jìn)行相關(guān)仿真研究。

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Study on the Key Technology of Marine Environment Monitoring System Based on Underwater Three-dimensional Sensor Networks

ZHENG Jun-jie1,2,LIU Zhi-hua1,LIU Feng1,WANG Zhen-li2
（1.People’s Liberation Army University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 211101,China;2.Nanjing University of International Relations,Nanjing Jiangsu 210039,China）

The shortcoming and requirement of marine environment monitoring technology in China were summarized and a new system for marine environment monitoring based on underwater three-dimensional sensor networks was introduced.The constitution,system construction and key technologies were discussed and the automated lifting underwater sensor node was designed.The communication mode between underwater nodes,survey system and control center were discussed.At last,the application foreground of underwater three-dimensional sensor networks was prospected.

underwater three-dimensional sensor networks;underwater acoustics communication;construction;simulation

X84,TP212

B

1003-2029（2012）04-0001-04

2012-09-13

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（SBK2010129，SBK2011124）；廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題；解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院基礎(chǔ)理論基金資助項(xiàng)目；解放軍理工大學(xué)預(yù)先研究基金資助項(xiàng)目；中國博士后基金

鄭君杰（1977-），博士后，講師，主要從事水下傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究。Email：oldwolf0411@126.com