基于3G的水聲通信海測平臺的設計與實現

陳柯宇,程　恩,蘇　為,高春仙

(廈門大學 水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,福建 廈門　361005)

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基于3G的水聲通信海測平臺的設計與實現

陳柯宇,程恩,蘇為,高春仙

(廈門大學 水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,福建 廈門361005)

摘要:實際水聲信道的復雜情況遠非實驗室仿真環境所能模擬,而傳統的海測實驗存在成本高、風險大和效率低等問題,文章在研究傳統海測平臺的基礎上設計一套基于3G的水聲通信海測平臺,以實現在低成本的情況下,利用一種可靠、實時的實驗方式提高水聲通信的研究效率。該平臺可以替代傳統出海測試的方式進行水聲通信實驗,并實現遠程控制、數據保存等功能。

關鍵詞:水聲通信;海測平臺;3G;遠程控制;數據保存

21世紀是海洋的世紀,人類進入了大規模開發利用海洋的時期。在海洋產業的發展中,水聲通信技術是國內外學者研究的最熱門領域之一。然而,由于實驗室仿真環境或者水池實驗不能真實地模擬水聲實際海洋環境信道條件,導致大部分水聲通信實驗平臺在實際應用方面的性能與研究者期望所能達到的理想效果之間存在差距,要進一步驗證研究成果就需要出海進行繁重、冗長、對財力要求很高的海測實驗。傳統的水聲海測實驗方法是研究者租用科考船到特定海域進行實驗,該方法具有很大的局限性:① 實驗部署繁重,研究者每次實驗都要攜帶大量儀器上船,反復在不同位置部署信號點,調試實驗平臺,工作效率低,故障率高;② 實驗受環境影響,由于海測實驗受環境噪聲等因素的影響較大,研究者通常需選擇在凌晨船只較少的海域進行實驗,對實驗環境要求較高,惡劣的氣候有時會使海測實驗過程變得十分困難,風險較大;③ 實驗驗證困難,考慮到水聲信道的復雜性和其他因素的影響,有時需要多次重復相同的測試才能驗證結果是否正確。以上這些因素導致出海實驗工作繁重,時間冗長,極大地制約了水聲通信技術的發展[1]。

水聲通信海上實驗平臺的研究起步于20世紀90年代,涉及水下傳感網領域的實驗平臺較多。20世紀90年代初,美國的AOSNs(自組織采樣網)率先提出“水聲網”概念,并以海網SeaWeb計劃進行實踐、驗證,標志著海上實驗平臺的研究正式起步[2]。俄亥俄州立大學開發了面向多種應用的無線傳感網絡測試的Kansei平臺[3],該試驗平臺是由210個傳感節點組成的15×14矩形規則陣列,每一個傳感節點包含XSM以及Stargate單板計算機2部分。當前Kansei平臺還處于開發過程中,仍有許多不足之處,如系統訪問控制等功能并未完全實現、多數節點大多采用IEEE802.15.4協議進行通信,例如TelosB、Mica等。哈佛大學開發了無線傳感器網絡的MoteLab平臺[4],該平臺支持基于Web方式的用戶訪問方式,允許全世界的用戶通過網絡接口對測試平臺的網絡進行遠程操作,從而進行自己的實驗。MoteLab試驗平臺對于測試評估的方法考慮仍有所欠缺,例如對能量的測試評估方法等。康涅狄格大學開發了基于湖面研究設計的Aqua-TUNE平臺[5],該平臺包含軟件及硬件2個模塊,平臺易于安裝,由一系列即插即用的網絡節點組成,并通過混合無線網絡將節點相連。國內的海上實驗平臺研究方面,文獻[6]設計了一種水下傳感器網絡海上實驗平臺,提出了雙頭硬件節點;該平臺利用水下傳感器網絡的路由分發規則和協議進行了研究,針對水下網絡和水下移動網絡的性能展開了測試并遠程控制。文獻[7]提出了一種以WiFi、數傳電臺、GPS、SD卡為載體,搭建由浮子節點、匯聚節點、系統管理分析中心組成的現場測試采集系統,可進行單/雙向通信及圖片傳輸等現場級實驗。

本文在總結以往關于水聲通信實驗平臺工作的基礎上,提出一種可遠程控制、數據保存的海測平臺[8]。

該平臺采用B/S模式和分布式架構,整合水聲通信技術、嵌入式處理技術、數據庫技術、無線通信技術,實現集分布式數據收發、實時傳輸、信息處理發布為一體的水聲通信海測平臺系統。

1海測平臺的架構設計

海測平臺由3個子系統組成[9-10],分別是服務器子系統、無線通信子系統、數據處理子系統。服務器子系統包含系統網站和數據庫，通過與后臺數據庫的交互,系統網站提供了研究者可操作的交互界面,可以實現設備信息的顯示與定位、選擇發送數據、試驗數據回傳和處理等功能;無線通信子系統實現海上節點與服務器的連接與數據傳輸,提供無線3G網絡的網口通信方式;數據處理子系統由STM32開發板、功率放大器和水聲換能器組成,實現信號的ADC/DAC轉換以及水聲數據收發的功能。

(1)服務器子系統。服務器的架構如圖1所示。用戶對海測平臺的操作都集中在服務器子系統,為了方便人機交互,使用成熟的面向對象語言C#,使用的工具為Visual Studio2010。控制中心的軟件系統共分為UI(用戶界面)部分、后臺代碼、數據接口3個部分。實驗設備瀏覽與操作示意模塊包括界面中的“水上平臺瀏覽”、“水下節點瀏覽”、“選擇添加欄”、“操作示意圖”以及“設備信息與歷史記錄”,主要為實現對實驗設備位置信息及歷史文件信息的瀏覽以及操作選擇,同時對實驗操作及數據走向進行清晰化的呈現,便于實驗人員了解及更改整個實驗過程。實驗數據與控制指令傳輸模塊負責在實驗人員建立好所需的實驗連接后,提供“網絡數據傳輸”、“串口數據傳輸”及“移位控制指令”3種功能服務。實驗數據分析與波形顯示模塊可讓實驗人員選擇需要的文件進行波形顯示及數據分析。

(2)無線通信子系統。海上節點通過無線通信子系統與服務器連接,通信方式基于電信3G EVDO網絡的移動網絡通信。無線通信設備提供網口方式,具有傳輸速度快、可靠性高、組網簡單等優點,適合大容量波形數據、視頻監控圖像和GPS定位信息的傳輸處理。在無線通信子系統中,將采用流式套接字進行移動網絡通信。實際通信時,監控軟件需首先創建套接字,并將其綁定到一個IP地址和端口號上,接著將套接字設為監聽模式,準備接收海上節點的請求,如圖2所示。海上節點中的IP Modem也需要創建一個套接字,但無需綁定IP地址和端口號,只要明確監控軟件的IP地址和端口號即可,然后向監控軟件發出連接請求。監控軟件收到海上節點的請求后,為該節點創建一個Socket句柄,兩者之間的通信就通過該Socket句柄完成。基于此原理,水聲通信海測平臺的服務器可以和多個海上節點建立連接,海上節點也可以通過服務器與其他節點進行數據通信[11-12]。

圖1　服務器的架構

圖2　基于Winsock的網絡通信

(3)數據處理子系統。此系統是整個海測平臺的硬件核心,如圖3所示。它由STM32芯片、功率放大器和水聲換能器組成。STM32具有接口豐富、資源充足的優點,利用其上集成的SPI接口、網口、UART、DMA數據傳輸系統和ADC/DAC數據模塊實現發送端和接收端的數據處理。

圖3　數據處理子系統架構

發送端從IP Modem的網口接收到數據后通過SPI將數據發送到STM32內,STM32利用UIP協議對網口接收到的數據進行TCP協議分析并將獲取的數據交給STM32進行處理。STM32對數據進行分析后,判斷是否為水下控制指令,若是,則將控制指令進行調制和幀封裝后通過DAC發送出去,由其下屬的水下指令通信模塊進行解調和響應;若不是,則直接通過DMA控制器將數據傳輸到DAC模塊進行數字模擬轉換。最后利用功率放大器和水聲換能器將波形發送出去。為了提高系統的抗干擾和抗衰弱能力,提高指令的準確性,采用跳頻-多進制頻移鍵控(Frequency-Hopped Multiple Frequency Shift Keying,FH-MFSK)調制解調技術來設計水下控制指令[13],并為指令信息設計了一個穩定可靠的幀結構。接收端則是利用ADC模塊將水聲換能器和功率放大器得到的數據進行模擬數字轉換,然后通過DMA控制器將數據傳輸到STM32,最后STM32利用UIP協議將數據打包成TCP協議包通過IP Modem發送出去。

2海測平臺的部署與測試

海測平臺的部署與測試實驗在實際海洋信道環境下進行,以驗證系統的實際性能。實驗中海上節點設備如圖4所示。

圖4　海測平臺海上節點設備

本文設計完成了一套水聲通信海測平臺系統,目的是集成分布在海上的實驗節點,實現遠程控制海測實驗目標。海測平臺的實驗流程如圖5所示。

圖5　海測平臺測試框圖

研究者的實驗數據經過調制后保存成txt文件,海測平臺將文本信息傳輸給海上節點進行海測后傳送回服務器供研究者分析下載。因此,文本信息的傳輸性能和ADC/DAC轉換至關重要,實驗的測試將圍繞此方面展開。

首先,進行海測平臺各個子系統的部署配置,包括服務器、SQL數據庫的部署和IP Modem的初始化配置,實現用戶訪問系統網站和IP Modem的信號點上線。其次,上傳方波和chirp 2個信號文件分別進行海測實驗。示波器布放在發送端的功率放大器之前和接收端的前置預處理之后,分別采集信號波形以驗證底層設備的有效性。最后,將接收到的實驗數據通過網站的在線圖表功能進行收發端對比,驗證海測平臺的準確性。

海測實驗在廈門五緣灣海域進行。實驗地點為五緣灣木棧道同側,收發兩端換能器放置距離水面約1.5 m。根據國家海洋局廈門海洋預報臺數據,實驗當日五緣灣實驗海域海洋情況如下:海浪情況輕到中浪,海浪下限 0.8 m,海浪上限1.5 m；風力2～3級,陣風4級；水溫下限20.5℃,上限22.5℃。

設備定位顯示如圖6所示,網站“信號點瀏覽”界面顯示收發端設備的定位信息,借助百度地圖工具,測量得到實驗距離約為108 m。發送“實驗文件”(chirp)波形數據,開始海測實驗流程。實驗chirp信號頻率為5～10 kHz,碼元時間為1 ms,數據處理模塊的采樣率為100 kHz。海測實驗結束后網站在線繪制的發送端和接收端的信號波形如圖7所示(下部圖形為接收端信號),發送端和接收端的功率譜密度如圖8所示(下部圖形為接收端功率譜密度),可以看出接收端信號的功率譜呈現頻率選擇性衰落。

圖6　設備定位顯示

圖7　信號波形

圖8　功率譜密度

3結束語

海測平臺是可以替代傳統出海測試方式的新手段,為便捷、高效、準確地研究水聲通信技術提供了有效的方法。本文在總結以往關于水聲通信實驗平臺工作的基礎上,設計一種可遠程控制、數據保存的海測平臺。通過在廈門五緣灣海域進行海測實驗,實現并驗證了該平臺的準確性。但該平臺的系統整合性有待提高,并且由于是利用3G無線網絡方式進行數據傳輸,在信號覆蓋范圍外應用時會有局限,所以計劃下一步將該平臺移植到浮標系統中,并且嘗試采用北斗衛星傳輸方式,實現多點浮標式的海測平臺系統。

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(責任編輯張淑艷)

Design and implementation of underwater acoustic communication trial platform based on 3G

CHEN Ke-yu,CHENG En,SU Wei,GAO Chun-xian

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology of Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:At present,the complexity of the real underwater acoustic channel can not be simulated exactly in the laboratory.Facing the high-cost and high-risk traditional marine surveying experiment with low efficiency,the underwater acoustic communication trial platform based on 3G is designed,which can improve the efficiency of underwater acoustic communication by means of reliable and real-time experiment research in the case of low cost.The platform can be used to replace the traditional marine surveying way and make the underwater acoustic communication experiment,while realizing remote control,data storage and other functions.

Key words:underwater acoustic communication;trial platform;3G;remote control;data storage

收稿日期：2015-07-01；修回日期：2016-02-10

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61501386)

作者簡介：陳柯宇(1985-),男,河北邯鄲人,博士,廈門大學工程師,碩士生導師;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.008

中圖分類號:TN914.43

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0471-05

程恩(1965-),男,福建福州人,博士,廈門大學教授,博士生導師.