基于水聲通信的海洋水質多點監測系統設計

趙杰，王志，惠力，朱洪海，楊俊賢，初士博

基于水聲通信的海洋水質多點監測系統設計

趙杰，王志，惠力，朱洪海，楊俊賢，初士博

(山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東青島266001)

為解決目前水質監測存在的單點測量、實時跟蹤觀測不及時、通信距離短和供電不便等問題，設計了基于水聲通信的海洋水質多點監測系統。該系統主要包括浮標系統、坐底式水質監測系統、岸站實時數據接收系統。水質多點監測的下位機由浮標系統和海底多個坐底式水質監測系統組成；坐底式系統與浮標之間采用水聲通信的方式實現水下數據上傳，水聲通信半徑能達到10 km；以浮標作為中繼系統，采用太陽能供電，利用DTU和北斗雙通信將分鐘數據實時傳輸，解決了諸多水質監測中現存的問題。研究表明，本系統數據實時上傳率達到95%以上，能夠滿足大范圍海域內水質多點實時監測的要求，可為水產養殖提供全天候有效可靠的水質參數。

水質監測；海上浮標；海底觀測網；水聲通信

在海洋水產養殖過程中，水域環境的優劣直接影響到魚、蝦、蟹、海參等海洋水產品質量的高低。隨著漁業養殖規模的擴大、養殖種類的增多和養殖密度的增大，對鹽度、pH、溶解氧、水溫等水質參數實時監測的水平和要求不斷提高。以往的水質監測，需租船到海上進行多點采樣，將樣品帶回實驗室進行分析后才能得到數據，監測周期長，成本高，投入了大量的人力物力，不能實時監測水環境動態變化。目前正在研發中的國外水質監測系統，如美國Heliosware公司的EMNET系統和澳大利亞CSIRO公司的Fleck系統，通信速率低，體積大，成本昂貴[1]。國內的水質監測系統研究，如劉興國等[2]提出的基于水質監測技術的水產養殖安全保障系統和王驥等[3]設計的基于無線傳感器網絡海洋環境監測系統，實現了水質多參數實時傳輸，但這兩種系統需要市電供電，不能實現對大范圍多層水質參數測量的要求，只適合單層面近海觀測，而對于遠海測量不適用。

本研究中以海底和海平面水質監測為目標，設計了海洋水質多點檢測系統，分別測量海平面和海底多點水質參數，并且實現深遠海的數據傳輸，旨在為水產養殖提供實時準確的水質參數。該系統采用海洋浮標掛載manta2水質傳感器的方式實現海平面水質參數的測量，利用坐底支架掛載水聲modem、水下密封艙和水質傳感器構成的水下水質參數采集系統，實現海底水質參數的測量。水下采集系統與海洋浮標間通過水聲modem進行數據通信傳輸。海洋浮標可實現與多個水下采集系統進行通信，通信半徑可達到10 km。海洋浮標系統作為網關浮標，使水下數據可以穿過海面，實現水面與水下立體網絡通信觀測。以浮標掛載DTU和北斗衛星雙通信的方式實現數據近遠海上傳。

1 系統架構

水質監測系統主要包括3大部分:岸站數據接收終端、海洋浮標中繼采集傳輸系統和坐底式水質數據監測系統。海底傳感器節點與海洋浮標水下進行聲學組網通信，海洋浮標系統將海底傳感器節點數據匯總后，通過CDMA網絡和北斗衛星將數據傳送到岸站接收軟件。岸站接收軟件對接收數據進行顯示、存儲、分析和報警，實現水質參數的實時監控[4]。系統示意圖如圖1所示。

1.1 海洋浮標中繼采集傳輸系統

海洋浮標作為海底水質數據上傳的中繼載體，是整個水質監測系統的關鍵。浮標系統主要包括中央處理采集器、水聲modem、多參數水質傳感器manta2、北斗、GPS、羅盤、DTU(CDMA)、太陽能供電系統。其中，水聲modem的作用是實現與坐底式水質數據監測系統進行數據通信[5]；多參數水質傳感器實現海平面水質數據的測量；CDMA、北斗雙通信能夠解決近遠海數據通信上傳問題；GPS實現浮標的定位功能，防止浮標跑丟；太陽能供電系統，能夠實現浮標系統在海上長時間供電；中央處理采集器將數據采集整理后進行存儲，并通過雙通信向岸站數據接收終端發送數據；岸站接收終端可隨時調取中央處理器存儲的數據。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 Flow diagram of the system structure

1.2 坐底式水質數據監測系統

坐底式水質數據監測系統主要包括水下支架、水質傳感器manta2、水下密封艙和水聲 modem。水下密封艙內包括電池系統和中央數據處理模塊。水下密封艙內的電池可保證系統供電，連續供電周期為3個月；水下密封艙內的中央處理模塊可以實現海底水質數據采集和通信；水質傳感器實現海底水質參數測量；水聲modem實現與浮標中心端水聲modem的數據鏈路通信；水質傳感器、水下密封艙和水聲modem水下的耐壓可達100 m水深。

2 硬件電路設計

2.1 測控電路設計

水質監測系統的測控電路設計包括海上浮標系統和海底水質觀測點兩部分。兩部分電路采用的中央處理芯片、水質傳感器、聲學收發系統、羅盤是一致的。海上浮標系統與海底觀測點的不同在于供電系統、通信和衛星定位。前者采用的是太陽能充電系統，能實現網絡和北斗衛星雙通信，并掛載GPS實現定位功能。后者采用鋰電池供電，只能通過水聲modem實現通信功能。測控電路設計框圖如圖2所示。

圖2 測控電路設計框圖Fig.2 Measurement and control circuit diagram

太陽能供電系統主要由8塊太陽能電池板、8塊12 V/100 Ah蓄電池和太陽能充電控制器組成。測控電路中央處理芯片采用AVR公司生產的高性能、低功耗的8位微處理器Xmega128A1，供電電壓范圍為1.6～3.6 V，操作速率最高可達32MIPS，具有128 K的片內自編程Flash、4 K的內部E-2PROM、8 K的內部SRAM、4路DMA控制器、8通道緩沖串行端口、8個16位通用定時器、8通道事件處理系統、4個兩線通信接口兼容I2C與SMBUS協議、4路SPI外部通信接口，2路8通道12位A/D轉換器和2路2通道12位D/A轉換器，具有內部獨立可編程看門狗。12位的A/D采集電路可采集0～12 V電壓信號和4～20 mA的電流信號。1路開關量控制水聲modem的開關電。1路RS422通信接口連接北斗，5路RS232分別連接水聲modem、水質傳感器、GPS、羅盤和DTU。系統的數據存儲通過SPI接口連接TF卡實現。

2.2 水聲通信電路設計

為了現場維修維護方便，保證水聲通信系統相對獨立性，需要單獨設計具有透傳功能的水聲通信機。該通信機可直接與串口設備相連接，實現數據收發功能。

為降低設備處理預算功耗，提高通信準確率，實現數據透傳功能。本研究中選用ADI公司的低功耗16位定點DSP芯片ADSP－BF548和ADSPBF561[6]。采用雙DSP硬件結構模式既利于電路硬件設計與調試，也方便軟件編程設計。ADSP－BF561擁有雙處理內核，用于水聲通信信號處理，實現水聲調制解調的功能。ADSP－BF548外圍資源豐富，擔當設備的主控單元，可實現數據的緩存、存儲與透傳功能。水聲通信機的結構框圖如圖3所示。

圖3 水下通信機結構框圖Fig.3 Flow diagram of the underwater communication machine

3 軟件設計

水質監測系統軟件設計主要包括監測系統下位機、岸站接收上位機和水聲通信鏈路3部分。

3.1 監測系統下位機軟件設計

監測系統下位機軟件主要包括以下幾個步驟:

(1)系統初始化。系統上電后，對系統時鐘、串口、TF卡存儲接口、A/D模塊、系統時鐘等進行初始化檢測配置，等待接收命令。

(2)傳感器數據接收。主控芯片通過串口發送命令，啟動傳感器數據采集。傳感器啟動后，串口等待接收傳感器采集數據。

(3)數據整合存儲和發送。系統將采集的電池電壓、傳感器數據、GPS數據、羅盤數據等整合成一幀數據，數據幀包含幀頭、幀尾和數據校驗位[7]。

(4)接收岸站上位機軟件指令。等待上位機軟件發送命令，命令幀也包括幀頭、幀尾和數據校驗位。上位機的命令包括調取、時間校正和誤差數據校準等。

下位機軟件流程圖如圖4所示。

3.2 岸站接收上位機軟件設計

圖4 監測系統下位機軟件流程圖Fig.4 Lower computer software flow chart of the monitoring system

岸站接收軟件包括實時曲線顯示功能區、水質參數實時顯示區、浮標中心監控區域、下位機電池電壓和時間區域、功能選項區和GPS功能定位區域。在軟件的功能區域，可選擇實時監控界面、歷史數據查詢界面、通信調取界面、時間校準、系統配置和Excel制表功能；在水質參數的實時顯示區域，可以觀察水質各項參數數據；在實時曲線區域，可以觀察曲線的連續性；在浮標中心監控區域，可以觀察浮標偏離中心點的距離。此外，該軟件可讀取下位機上傳數據時間和電池電壓，同時實時顯示GPS定位數據。岸站接收上位機軟件界面如圖5所示。

3.3 水聲通信軟件設計

水聲通信系統主要分為相干和非相干兩種方式，前者要求發送信號與接收信號的相位和頻率之間存在預定關系，而后者則沒有這方面要求，因此，在數字信號處理方面，非相干通信系統比相干通信系統要簡單，本研究中采用非相干方式進行調制解調。

3.3.1 發送端信號調制 水聲通信發送端采用非相干的頻移鍵控 (FSK)調制方式。FSK調制只和頻率有關，與相位無關，能減少碼間干擾，抗干擾能力強，設計簡單，穩定性高，但是FSK的頻帶利率低，聲道帶寬有限，只適合于低速率傳輸。為保證有限帶寬內提髙傳輸速率，采用MFSK多進制頻率調制的方式。由于通過水聲傳輸信息量較小，采用3FSK調制方式完全滿足監測系統要求。

MFSK多頻調制方式是用多種不同的載波頻率代表多種數字信息[8]。3FSK調制是每個字節由3種不同頻率的正弦信號表示。每個字節的最前端加12 kHz的正弦波作為同步信號，數據碼用9 kHz的正弦波表示二進制0，用11 kHz的正弦波表示二進制1。發送信息模式如圖6所示。

為減少碼間干擾，數據碼發射時間間隔為5 ms，每個數據碼周期長度為5個正弦周期，數據碼發送間隔長，數據碼周期短，碼元間留有足夠間隔給多途信號，碼元發送時間間隔就是保護時間。

3.3.2 接收端信號解調 按照上述水聲信道的通信特點，為降低多途信號干擾，發射端并不是連續的發射碼元信息。另外，為了提高波特率，減小了保護時間和碼元周期。這些做法均降低了通信性能，因此，接收端的處理運算能力對于整個系統的通信性能提高至關重要。

為提高接收端信號處理速率，采樣信號通過離散Hilbert變化將原始信號從頻帶變化到基帶[9]，產生解析信號，這種方法可降低采樣速率，減少運算量，提高信噪比，實現銳截止濾波器的功能。本研究中通過第三類相位FIR濾波器實現Hilbert變化。

解析信號通過FFT運算得出多普勒頻率的偏移量和碼元信息。多普勒偏移量實現接收信號頻率補償功能。碼元信息經過解碼以后由Viterbi算法進行譯碼輸出。用FFT進行256點處理，AD采樣頻率為100 kHz，因此，得到頻譜最小間隔100 000 Hz/256＝390 Hz，能夠滿足通信系統接收端對頻率分辨率的要求。接收機信號處理流程如圖7所示。

4 系統驗證結果

2013年3月，該水質監測系統在某海域成功布放，實現了海域內多點水質參數測量、數據實時上傳、數據調取和數據校正，以及24 h全天連續監測等功能。該系統連續工作時長近3年，達到漁業養殖部門對水質監測數據連續、穩定、準確觀測的要求。坐底式系統布放水域水深為20 m。浮標和坐底式系統布放實物圖如圖8所示。

系統軟件會自動生成水質數據實時觀測曲線，并對數據進行存儲。歷史數據如圖9和圖10所示。

將2016年10月2日10:00—11:00時間段內海面、海底實時監測的水質平均數據與人工采樣后的實驗室測量數據進行對比分析，結果如表1和表2所示。

表1 海面與實驗室采樣數據的比對 (10:00—11:00)Tab.1 Comparison of data(10:00—11:00)collected from sea surface and a laboratory

表2 海底與實驗室采樣數據的比對 (10:00—11:00)Tab.2 Comparison of data(10:00—11:00)collected from sea bottom and a laboratory

將2016年10月2日11:00～13:00時間段內海面、海底實時監測的水質平均數據與人工采樣后的實驗室測量數據進行對比分析，結果如表3和表4所示。

表3 海面與實驗室采樣數據的比對 (11:00—13:00)Tab.3 Comparison of data(11:00—13:00)collected from sea surface and a laboratory

表4 海底與實驗室采樣數據的比對 (11:00—13:00)Tab.4 Comparison data(11:00—13:00)collected from sea bottom and a laboratory

由上述3個小時的對比數據可以看出，通過該水聲通信的海洋水質多點監測系統獲得的水質數據與實驗室的采樣測量數據相差并不明顯，該系統采集的數據具有一定的代表性和可靠性。

圖5 岸站接收上位機軟件Fig.5 Receiving software from shore stations

圖6 發送端信息調制Fig.6 Sending information modulation

圖7 接收機信號處理流程圖Fig.7 Flow chart of receiver signal processing

圖8 浮標和坐底式系統布放實物圖Fig.8 Physical chart of buoy and bottom mounted system

5 結論

綜上所述，利用浮標和坐底式系統組成的水質監測系統能夠實現海面與海底多點水質數據實時連續測量，并得到可靠有效的數據，完全可以替代人工海上采樣作業。系統主要解決了下列4個問題:

(1)實現海平面和海底多點水質參數同時測量，主要參數有鹽度、pH、水溫、溶解氧。

圖9 海上浮標水質觀測數據Fig.9 Water quality observation data from a marine buoy

圖10 坐底式系統水質觀測數據Fig.10 Water quality observation data from a bottom sitting system

(2)實現水聲modem一對多點通信，建立水面與水下立體網絡通信，保證海底觀測多點布放測量，海底布放點離中心接收點間的距離半徑可達到10 km。

(3)浮標采用太陽能供電系統，保證浮標系統長久持續供電，不受市電的限制。

(4)采用CDMA和北斗衛星雙通信，可實現近遠海實時通信。

本系統設計方法可在海洋水質參數觀測設備中進行廣泛地推廣和應用，特別是在多層測量和深遠海水質監測方面具有一定的參考價值。

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Design of a marine multi－point water quality monitoring system based on underwater acoustic communication

ZHAO Jie， WANG Zhi， HUI Li， ZHU Hong－hai， YANG Jun－xian， CHU Shi－bo
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology， Institute of Oceanographic Instrumentation， Shandong Academy of Sciences， Qingdao 266001， China)

A multi－point monitoring system for marine water quality was designed based on underwater acoustic communication in order to solve the problems of single point measurement， and real－time tracking and observation，short communication distance and inconvenient power supply.The system is primarily comprised of buoy system，water quality monitoring system of sitting style，and real－time receiving system of shore station.The lower system of water quality multi－point monitoring includes the buoy system and multiple water quality monitoring system of sitting style，and the underwater data communication between underwater system and buoy is realized by underwater acoustic communication，whose radius can extend to 10 km.Buoy as a relay system powered by solar energy uploads minutes data by double communication of DTU and the Beidou，dealing with the issues of short communication distance， power supply inconvenience， and untimely observation.Shore station receiving software acts as displaying minutes of data， formatting the curve， and saving the data.The system with more than 95%data upload rate can meet the requirements of a wide range of water quality multi－point monitoring in real－time， and provide aquaculture with effective and reliable water quality parameters all day.

water quality monitoring； sea buoy； submarine observation network； underwater sound communication

Q954.4

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.06.017

2095－1388(2017)06－0747－06

2017－02－09

國家重點研發計劃重點專項 (2016YFC1400403)

趙杰 (1983—)，男，工程師。E－mail:zhaojie83＠126.com