水下分布式數據采集系統通信方式研究

摘 要：水下分布式數據采集系統在海洋勘探中具有極為重要的作用，有線通信是目前水下分布式數據采集系統的主要通信方式。文章分析了目前水下無線通信方式的局限性，介紹了多種有線通信方式并進行比較，以期為水下分布式數據采集系統的通信方式提供多種參考方案。

關鍵詞：水下分布式數據采集系統;水下通信;現場總線

作者簡介：朱輝慶（1981— ），男，江西臨川人，工程師，碩士;研究方向：水聲工程。

分布式數據采集系統起源于20世紀80年代，是一種由多個相互獨立的設備在現場完成傳感器信號的采集，由通信網絡將數據傳輸至上位機進行處理的系統。與集中式數據采集系統相對應，分布式數據采集系統具有適應能力強、可靠性高、實時響應性好等特點，被廣泛運用于監測工程中應對傳感器數量大、分布范圍廣的場景，如海洋勘探、水下預警等領域。在分布式數據采集系統中，通信網絡是系統最為關鍵的組成部分。隨著計算機網絡通信技術的快速發展，高速率、高帶寬、低延時的傳輸方式不斷涌現，為分布式數據采集系統的發展提供了有力的技術支撐。

1 水下分布式數據采集系統介紹

水下分布式數據采集系統是分布式數據采集系統在水下的應用，常見的應用場景包括水下預警、水下探測聲吶、海底環境監測系統等。這些系統采集的對象均為水聲信號，為了提高檢測能力和檢測范圍，通常由幾十個甚至上百個分布式節點組成，數據帶寬較高，傳輸距離較長。此外，由于在海洋環境中使用，對系統的體積、功耗、材料、工藝等方面都具有一定的要求。通常選用的分布式節點均為小體積、非空腔結構，以適應深海高壓下的環境;成型的陣段柔韌性好，防止在收放、拖拉的過程中出現斷裂。因此，研制水下分布式數據采集系統不僅需要考慮功能的實現，還需要考慮復雜應用環境下系統使用的可靠性和穩定性。

2 水下分布式數據采集系統通信方式研究

水下分布式數據采集系統的通信方式主要分為無線通信和有線通信。

無線通信的方式，大致分為水下電磁波通信、水聲通信以及水下激光通信3種。由于海洋環境的影響，無線通信存在信號衰減嚴重、數據傳輸帶寬低、通信穩定性不佳等諸多問題[1]。

水下無線通信方式存在瓶頸，無法進一步提升水下分布式數據采集系統的性能。水下有線通信僅受到傳輸線纜的影響，只需要調整材料以及制造工藝，就可以達到和陸上傳輸相同的效果。因此，水下有線通信是目前水下分布式數據采集系統的常用傳輸方式。

常見的水下分布式數據采集系統主要包括：水聽器、分布式數據采集節點、信號匯聚處理單元等。水聽器和分布式數據采集節點之間數據帶寬較小，主要為一對多的通信方式;分布式數據采集節點之間以及和信號匯聚處理單元之間數據帶寬大、傳輸距離遠，往往通過陣段連接器相連，需要適合的有線通信方式進行傳輸。

3 水下有線通信方式對比

水下有線通信方式和陸上有線通信方式大致相同，但是考慮到水下環境中的特殊應用場景，需要選擇高帶寬、遠距離、工藝精簡的傳輸方式。

現場總線是解決水下分布式數據采集系統底層通信網絡的重要關鍵技術，以數字通信方式代替了傳統的模擬信號通信，實現了全數字化的通信，同時還具備開放性、互用性、分布性、適應性等多種優勢。現場總線根據傳輸距離、傳輸帶寬等需求定義了多種適合用戶的協議規范。數據帶寬較高的高速串行傳輸方式包括Ethernet，IEEE 1394，SDI，LVDS等，其特性對比如表1所示。

以太網傳輸是當今現有局域網最通用的通信協議標準，現有的以太網傳輸速率有10 Mbps，100 Mbps，1 000 Mbps，10 Gbps甚至100 Gbps，其優點包括技術成熟、成本較低、互操作性強、易于使用和管理、可擴充性強等。由于在傳輸介質方面，百兆以太網收發需要4根雙絞線;千兆以太網需要8根雙絞線，線數繁多，且其中任何一根損壞便無法保證傳輸帶寬;10 Gbps以上帶寬采用光纖傳輸，總體而言工藝較為復雜;IEEE 1394是用于高速外圍設備的連接系統，最新版本的IEEE 1394800最高帶寬能到800 Mbps，最少需要4根線，但其傳輸距離在雙絞線上僅為4.5 m，采用光纖才能達到100 m傳輸距離，材料容易折損;SDI接口是串行數字接口，可分為HD-SDI和3G-SDI，對應速率分別是1.485 Gb/s和2.97 Gb/s，其缺點是采用的傳輸線纜為同軸電纜，如要達到100 m傳輸距離，需要選用直徑6 mm以上的同軸電纜;高速LVDS串行總線采用LVDS電平，可以實現點對點或一點對多點的連接，具有低功耗、低誤碼率、低串擾和低輻射等特點，其傳輸介質可以是銅質的PCB連線，也可以是平衡電纜。采用自定義協議的LVDS網絡技術可以達到幾百Mbps以上的傳輸速率，同時配合驅動均衡技術，傳輸距離能夠達到百米以上。總體而言，以太網傳輸是目前水下分布式數據采集系統主要的高帶寬通信方式，而LVDS等傳輸方式則是今后系統更高帶寬、更小型化發展的主要趨勢。

傳輸距離較遠，支持一對多點傳輸，同時具備一定的傳輸帶寬，可選用控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線、PROFIBUS，SERCOS，RS-485等常用的現場總線，其特征對比如表2所示。

CAN總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一，在汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網中廣泛應用[2]，可以支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，節點之間無主從之分，通信實時性更強。可以采用雙絞線、同軸線或者光纖進行傳輸。PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準[3]，傳輸速率為9.6～12 Mbps，廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化等領域。其底層傳輸技術為RS-485傳輸，可采用雙絞線、光纖等傳輸方式。SERCOS是一種用于數字伺服和傳動系統的現場總線接口和數據交換協議，是目前用于數字伺服和傳動系統數據通信的唯一國際標準，在各種數控機械設備中廣泛應用[4]。SERCOS接口由一個主站和1～254個從站組成，傳輸速率為2～16 Mbps，采用玻璃光纖可以達到240 m傳輸距離。高速RS-485是一個定義平衡數字多點系統中的驅動器和接收器的電氣特性標準，有兩線制和四線制接線方法。兩線制接線方式支持一對多通信，是目前工業網絡最流行的一種布線方式，實施簡單方便，性價比高;采用自定義協議的高速RS-485接口，可以提高設計的靈活性;采用一主多從網絡結構，最高可掛載96個節點，能夠在60 m雙絞線上達到12.5 Mbps傳輸速率。對于帶寬要求不是特別高的應用場景下，RS-485接口具備的長距離、可擴展的通信方式可能是最佳的選擇。

4 結語

對于現階段而言，有線通信是水下分布式數據采集系統最佳的通信方式，系統也向著小型化、低功耗的方向發展，有更多陸上傳輸的方式可能被應用于水下通信。隨著科技的發展，例如量子通信的出現，很有可能改變目前的局面，使高帶寬、遠距離的水下無線通信也成為可能。

[參考文獻]

[1]梁涓.水下無線通信技術的現狀與發展[J].中國新通信，2009（23）：69-73.

[2]薛敏.基于CAN總線的分布式測控系統的設計與研究[D].武漢：武漢理工大學，2005.

[3]譚兆路.PROFIBUS-DP從站通信控制器的設計與實現[D].沈陽：中國科學院沈陽自動化研究所，2009.

[4]劉艷強，郇極.固化協議SERCOS通訊卡研究和開發[J].微計算機信息，2004（3）：79-80.

Research on communication mode of underwater distributed data acquisition system

Zhu Huiqing

（The Navy Deputation in Residence of Hangzhou， Hangzhou 310012， China）

Abstract：Underwater distributed data acquisition system plays a very important role in marine exploration， at present， cable communication is the main communication mode of underwater distributed data acquisition system. This paper analyzes the limitations of the current underwater wireless communication model， puts forward a variety of wired communication modes and compares them， in order to provide a variety of reference schemes for the communication model of underwater distributed data acquisition system.

Key words：underwater distributed data acquisition system; underwater communication; field bus