中國(guó)是海洋大國(guó)，海洋漁業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也是中國(guó)糧食安全保障的重要組成部分。中國(guó)漁業(yè)產(chǎn)量多年來(lái)一直位于世界首位，但是長(zhǎng)期粗放型的傳統(tǒng)海洋漁業(yè)生產(chǎn)方式給中國(guó)近海生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源造成了巨大壓力?，F(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)是適合現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的新型海洋生物資源開(kāi)發(fā)模式。建設(shè)現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)，可促進(jìn)中國(guó)漁業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展以及海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的穩(wěn)步實(shí)施。
傳統(tǒng)海洋牧場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了部分要素或部分空間、時(shí)間環(huán)境監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，但在現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)需要的廣域生態(tài)環(huán)境多維信息化監(jiān)控方面還有很大距離?，F(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)則是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和管理方法對(duì)生物資源、生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)生產(chǎn)以及相關(guān)活動(dòng)等進(jìn)行系統(tǒng)管理，所以海洋牧場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及水下養(yǎng)殖生物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為海洋牧場(chǎng)建設(shè)的重要方向。
為推進(jìn)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)施和現(xiàn)代漁業(yè)科技創(chuàng)新，驅(qū)動(dòng)我國(guó)漁業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與持續(xù)發(fā)展，2019年我國(guó)啟動(dòng)實(shí)施了“藍(lán)色糧倉(cāng)科技創(chuàng)新”重點(diǎn)專項(xiàng)，針對(duì)海洋牧場(chǎng)漁業(yè)水域環(huán)境實(shí)時(shí)高效監(jiān)測(cè)的共性關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，提出開(kāi)發(fā)典型漁業(yè)水域水質(zhì)生態(tài)環(huán)境原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，研制漁業(yè)水域水環(huán)境預(yù)警及管理決策支持系統(tǒng)。
一、當(dāng)前海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)存在的 主要問(wèn)題 現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)需要建立對(duì)廣域水體和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，這就要求布設(shè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器，對(duì)諸如海洋溫度、生態(tài)、生物等多種環(huán)境剖面信息進(jìn)行原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)還需要布設(shè)多個(gè)水下視頻在線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，這樣可隨時(shí)掌控魚(yú)蝦等水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品生長(zhǎng)發(fā)育情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增氧、精準(zhǔn)投喂和魚(yú)病診斷等異常報(bào)警。目前傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段離現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)的需求還有很大距離，例如山東海洋牧場(chǎng)采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了一套海底在線觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水下多要素水文數(shù)據(jù)和高清視頻的實(shí)時(shí)在線觀測(cè)，如圖1所示。該套系統(tǒng)只有一個(gè)海底測(cè)量節(jié)點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)滿足水下不同深度數(shù)據(jù)的剖面測(cè)量，并且需要通過(guò)電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)和電能傳輸，造價(jià)和維護(hù)成本很高。 圖1 山東海洋牧場(chǎng)海底觀測(cè)系統(tǒng)示意圖 從目前技術(shù)角度上看，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)多維度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)這一目標(biāo)的瓶頸主要以下兩個(gè)：⑴現(xiàn)有的水質(zhì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器大都體積大、功耗大，雖測(cè)量精度高，但價(jià)格昂貴、壽命期短，且需搭載的海洋站和浮標(biāo)規(guī)模較大，也無(wú)法大量布設(shè)，或布設(shè)多限于海表面和海底，這樣就使海洋牧場(chǎng)廣域水體的監(jiān)測(cè)成為一個(gè)難題。這樣可以看出，已有的觀測(cè)技術(shù)，對(duì)于海洋牧場(chǎng)廣域水體的監(jiān)測(cè)而言，絕大多數(shù)傳感器造價(jià)高昂，難以廣泛布設(shè)，這就使得面向海洋牧場(chǎng)的多要素綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)還處于空白。 ⑵這種在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀多節(jié)點(diǎn)傳感器和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的分布，將生成的大量信息(包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖像、視頻等)需要實(shí)時(shí)傳輸，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)量和通信速率的要求非常高。有線通信的造價(jià)成本非常高且海洋環(huán)境適應(yīng)性差，容易被破壞，常規(guī)的海洋環(huán)境在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信都是采用無(wú)線傳輸方式，所以高速高可靠的水下和水面無(wú)線通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的最關(guān)鍵技術(shù)之一。尤其海洋牧場(chǎng)區(qū)別于其他海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的是，需要對(duì)于牧場(chǎng)生物行為進(jìn)行有效控制與追蹤、生物資源進(jìn)行高效探測(cè)與精準(zhǔn)評(píng)估，必須依靠水下實(shí)時(shí)影像觀測(cè)的途徑獲取視頻和圖像信息，這就進(jìn)一步加大了監(jiān)測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸量，也成為制約海洋牧場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸問(wèn)題。正因?yàn)檫@樣，現(xiàn)有海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)還不得不停留在人工或水下機(jī)器人攜帶水下影像設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)錄像回收后進(jìn)行分析的階段，未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)。 綜上，要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)對(duì)廣域水體和生態(tài)環(huán)境的立體在線監(jiān)測(cè)，需要應(yīng)用陸地上蓬勃發(fā)展的所謂泛在感知的“物聯(lián)網(wǎng)”理念，突破海量、低成本、高空間分辨率傳感器技術(shù)和高速高可靠數(shù)據(jù)互聯(lián)互通技術(shù)瓶頸，構(gòu)建海洋牧場(chǎng)環(huán)境智能化立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)。 二、海洋牧場(chǎng)生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)物 聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)途徑 ⒈基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念 由于基于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)廣域海洋的成本是難以負(fù)擔(dān)的，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)于2017年12月宣布啟動(dòng)“海洋物聯(lián)網(wǎng)”(Oceanof Things)項(xiàng)目，試圖將海洋感知領(lǐng)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。DARPA計(jì)劃在全球范圍內(nèi)尋求搭載創(chuàng)新性、商業(yè)化傳感器的低成本小浮子及其岸基云平臺(tái)數(shù)據(jù)智能挖掘方案。通過(guò)將商業(yè)化傳感器技術(shù)與高性能分析工具相結(jié)合，創(chuàng)建由數(shù)以千計(jì)、異構(gòu)小浮子(或微型浮標(biāo))組成的浮動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便極大地拓展海事感知能力。DARPA需求中不僅關(guān)注收集如海洋溫度、海況等具有重要環(huán)境意義的氣象水文信息，同時(shí)還尋求自動(dòng)探測(cè)、跟蹤、識(shí)別周邊軍事與商業(yè)艦船分布態(tài)勢(shì)的技術(shù)方法或其他海上活動(dòng)的可識(shí)別特征或指標(biāo)，并挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)。 圖2 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)海洋物聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃示意圖 DARPA物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)設(shè)想是在全球任意1000km×1000km區(qū)域內(nèi)可布放5萬(wàn)個(gè)，即每10km×10km網(wǎng)格內(nèi)至少有5個(gè)海洋物聯(lián)網(wǎng)小浮子；小浮子與岸基的通信采用低軌衛(wèi)星通信(銥星或類似低軌物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星信道)方式；小浮子具備一定的前端智能對(duì)環(huán)境和目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行感知、岸基系統(tǒng)對(duì)小浮子群進(jìn)行智能運(yùn)控與場(chǎng)區(qū)環(huán)境與目標(biāo)分布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品制作；每個(gè)小浮子的未來(lái)批量造價(jià)控制在$1000以內(nèi)。借鑒DARPA計(jì)劃和海洋物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)理念，設(shè)計(jì)應(yīng)用可大量“群蜂式”布放、高時(shí)空分辨率、兼顧環(huán)境與生物種群特征監(jiān)測(cè)的低成本監(jiān)測(cè)小浮子構(gòu)建海洋牧場(chǎng)環(huán)境智能化立體監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)，如圖3所示。 圖3 海洋牧場(chǎng)環(huán)境智能化立體監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)示意圖 在該立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，將海洋牧場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)廣域水體空間分割成若干個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格布放一個(gè)或多個(gè)小浮子，在小浮子下面的傳感器鏈懸掛一個(gè)多節(jié)點(diǎn)傳感器鏈，對(duì)諸如海洋溫度、生態(tài)、生物等多種環(huán)境信息進(jìn)行原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。每個(gè)小浮子的多節(jié)點(diǎn)傳感器鏈將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿妫儆伤娑鄠€(gè)小浮子間進(jìn)行高速的組網(wǎng)通信。這樣以低成本微型浮標(biāo)和傳感器鏈的方式，融合多要素傳感器技術(shù)和海量傳感器鏈、微型浮標(biāo)組網(wǎng)、通信技術(shù)等，由監(jiān)測(cè)預(yù)警中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，即可形成智能化的海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。 ⒉物聯(lián)網(wǎng)中低成本小浮子的實(shí)現(xiàn) 海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)中使用的低成本小浮子理念，來(lái)源于海洋觀測(cè)中常用的漂流浮標(biāo)。其體積小、重量輕、成本低、布放簡(jiǎn)單，沒(méi)有龐大復(fù)雜的錨系系統(tǒng)，浮標(biāo)下掛水帆，隨海流以拉格郎日法測(cè)量海水表層流和進(jìn)行大面積海區(qū)、洋面水文氣象觀測(cè)。它依靠Argos衛(wèi)星通信網(wǎng)定位并上傳收集觀測(cè)到的各種參數(shù)，經(jīng)地面接收站處理，提供給用戶。 目前國(guó)內(nèi)外漂流浮標(biāo)大都僅關(guān)注表層溫度、流速參數(shù)的測(cè)量，工作模式單一，仍然存在高精度傳感器價(jià)格昂貴、依賴進(jìn)口的狀況，單溫測(cè)量要素的浮子售價(jià)在萬(wàn)元左右，多水文氣象要素的漂流浮標(biāo)的造價(jià)將增加到4萬(wàn)元以上，甚至達(dá)到20萬(wàn)元，這成為阻礙浮標(biāo)大規(guī)模布放應(yīng)用的重要問(wèn)題。那么，未來(lái)海洋牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)小浮子是借鑒傳統(tǒng)表面漂流浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)化其電源、智能通信與控制以及傳感器鏈掛接結(jié)構(gòu)、接口，可搭載傳感器鏈在海洋環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行。同時(shí)采用環(huán)境友好型材料，并將成本控制在人民幣5000元左右，作為一種面向海洋物聯(lián)網(wǎng)的新型通用小浮子觀測(cè)平臺(tái)，如圖4所示。 ⒊低成本傳感器鏈的實(shí)現(xiàn) 傳統(tǒng)海洋傳感器雖精度高，但存在體積大、功耗大、重量大、成本高等問(wèn)題，無(wú)法滿足海洋牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)需要大規(guī)模部署傳感器的需求。而實(shí)際上，海洋牧場(chǎng)的監(jiān)測(cè)不需要大量高精尖、大深度的海洋傳感器，更需要的是中等精度、高一致性、低成本的傳感器，可負(fù)擔(dān)大面積、高空間密度的監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一難題。MEMS微機(jī)電系統(tǒng)，是可批量制作的，集微結(jié)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路于一體的器件或微系統(tǒng)。主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、一致性好、可靠性高、靈敏度高、易于集成?；贛EMS技術(shù)的海洋傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，在構(gòu)建海洋牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)方面更具優(yōu)勢(shì)。 美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的He等加工了0.1mm的MEMS電極探頭，測(cè)量誤差在4%以內(nèi)。丹麥科技大學(xué)的Hyldgard等基于硅材料的MEMS技術(shù)制作了一個(gè)尺寸約為4mm×4mm的開(kāi)放式四電極電導(dǎo)率傳感器，電極形狀為條形，測(cè)量精確度在±0.6mS/cm。本文中采用鉑電阻測(cè)溫、四電極探頭測(cè)量電導(dǎo)率的方法，應(yīng)用MEMS技術(shù)研制新型溫鹽傳感器探頭，可在一塊基板上一次成型100余個(gè)溫鹽傳感器探頭，且一致性好，減少了后續(xù)對(duì)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，大大降低了制造和校準(zhǔn)檢測(cè)成本。新型四電極電導(dǎo)率傳感器采用開(kāi)放式片式結(jié)構(gòu)，保證良好的水交換特性，工作時(shí)無(wú)需帶泵，既大大降低了功耗，也保證測(cè)量水團(tuán)盡量不被擾動(dòng)破壞。傳感器探頭設(shè)計(jì)尺寸為8mm×14mm，體積很小，溫度滯后對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量的影響很小。 兩個(gè)傳感器的時(shí)間常數(shù)均控制在20ms以內(nèi)，保證測(cè)量同步性，可有效消除鹽度測(cè)量尖峰。為保證傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，電導(dǎo)率電極與溫度傳感器均采用Pt電極和SiN薄膜。而后將溫鹽傳感探頭、信號(hào)處理模塊、電源控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、狀態(tài)查詢與反饋模塊集成于小型傳感器節(jié)點(diǎn)中(如圖5所示)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電氣接口實(shí)現(xiàn)即插即用、隨意替換，與其他傳感器節(jié)點(diǎn)組成陣列(鏈)，實(shí)現(xiàn)海洋上層的快速、連續(xù)剖面溫鹽變化。 激發(fā)出來(lái)的680nm的脈沖調(diào)制熒光通過(guò)光纖被光電二極管吸收，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉綠素a濃度的測(cè)量。經(jīng)脈沖調(diào)制后的450nmLED光源區(qū)別于太陽(yáng)光，接收激發(fā)的熒光信號(hào)時(shí)可以有效避免太陽(yáng)光對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，如圖6所示。 為實(shí)現(xiàn)葉綠素a的原位、實(shí)時(shí)和精細(xì)化測(cè)量，將傳感器設(shè)計(jì)為小型化標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。節(jié)點(diǎn)頂端開(kāi)槽，槽內(nèi)制作FP腔做為傳感部分，LED光源通過(guò)透明窗口入射至FP腔，激發(fā)的熒光通過(guò)窗口完成收集。光信號(hào)處理模塊、信號(hào)處理模塊、供電模塊及數(shù)據(jù)通信模塊全部封裝在40×25mm小型節(jié)點(diǎn)內(nèi)。高集成度的光路設(shè)計(jì)可以有效降低LED光源功率，高集成度的電路模塊可以降低電路功耗，小型標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)傳感器的一致性，有效降低成本，多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)可形成水下陣列，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)供電、通信、即插即用和隨意更換。 基于以上的幾型小型智能化傳感器和組網(wǎng)成陣觀測(cè)理念，設(shè)計(jì)形成一種海洋傳感器鏈。采用MEMS技術(shù)制作具備通用數(shù)字接口和智能化自校準(zhǔn)功能的溫鹽深和葉綠素、溶解氧等參數(shù)傳感器，相比國(guó)外現(xiàn)階段傳感器探頭，具有更加微小型化、高一致性、低功耗、低成本的特點(diǎn)，以通用的傳輸協(xié)議組成多節(jié)點(diǎn)觀測(cè)鏈，懸掛于小浮子下端，實(shí)現(xiàn)對(duì)上層海洋葉綠素、電導(dǎo)率(鹽度)、溫度、壓力、溶解氧、海流等多參數(shù)水下觀測(cè)。 ⒋物聯(lián)網(wǎng)低成本高速高可靠水下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 海洋牧場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)主要由監(jiān)測(cè)平臺(tái)(小浮子)、監(jiān)測(cè)傳感器(鏈)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)組成。其中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)要完成兩個(gè)重要任務(wù)：一是由水下傳感器網(wǎng)絡(luò)(USN)將各水下節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫「∽拥乃辖K端，二是由水上網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)小浮子與海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的互聯(lián)互通，所以低成本高速高可靠的水下和水面通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的關(guān)鍵技術(shù)。 海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)要將生成的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(包括圖像、視頻等)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。近年來(lái)，隨著圖像和視頻智能識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，雖可只需傳輸提取的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)，可大大壓縮傳輸數(shù)據(jù)量，但傳輸速率仍需達(dá)到500kbp以上。 現(xiàn)有USN采用的通信技術(shù)主要是有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種。第一種是采用類似陸地的電纜直連傳輸方式，但其需要解決電纜水密性、多節(jié)點(diǎn)通信可靠性以及通信電纜與錨系水下纏繞的問(wèn)題。第二種方式是無(wú)線傳輸，即應(yīng)用電磁波或聲學(xué)原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。其中水聲通信在海水介質(zhì)里可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，但其傳輸性能受低帶寬、時(shí)變多徑傳播、高延時(shí)和多普勒擴(kuò)散的限制，在長(zhǎng)距離(km)通信下其數(shù)據(jù)傳輸率僅為幾十kpb，不能滿足傳輸需求。 電磁波傳輸具備更高的帶寬和更快的速度，但在水下應(yīng)用，受海水介質(zhì)電導(dǎo)率等參數(shù)的影響，其傳播范圍會(huì)受到基波衰減和噪聲因素的限制，其工作在2.4GHz的頻率時(shí)，在海水中衰減大約1600dB/m，只能實(shí)現(xiàn)幾十厘米的短通信距離。而且電磁波傳輸需要解決水下接駁，電纜或光纖纜的水密等復(fù)雜問(wèn)題，且無(wú)法自由變換位置，大大限制了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。因上述兩種方法存在的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外海洋技術(shù)專家創(chuàng)新研發(fā)了感應(yīng)耦合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這種技術(shù)介于上述兩種方法之間，將小浮子系留包塑鋼纜與海水構(gòu)成的回路，利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸水下多節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸。 傳輸原理類似兩級(jí)變壓器原理，小浮子系留包塑鋼纜兩端與海水接觸，形成單匝回路，水下每臺(tái)儀器的數(shù)據(jù)信息通過(guò)載波加到耦合磁環(huán)的初級(jí)繞組上；在鋼纜與海水串聯(lián)構(gòu)成的單匝回路中感應(yīng)出電流；該電流又在水上終端耦合磁環(huán)次級(jí)繞組上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)；該電動(dòng)勢(shì)送到終端解調(diào)以獲得水下送來(lái)數(shù)據(jù)。該傳輸方式無(wú)任何直接電氣連接，在可靠性和造價(jià)上明顯優(yōu)于其他傳輸方式；且傳輸距離遠(yuǎn)，可覆蓋海洋全部深度，具有全天候?qū)崟r(shí)采集傳輸海洋環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。 目前，國(guó)際上知名海洋儀器廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了滿足多節(jié)點(diǎn)海洋觀測(cè)應(yīng)用需求的產(chǎn)品，傳輸速率最快可達(dá)9600bp，但面對(duì)海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的需求仍要對(duì)現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)的傳輸能力進(jìn)行有效提升。傳統(tǒng)感應(yīng)傳輸方式由于耦合信道的“窄帶”特性，采用傳統(tǒng)的單載波調(diào)制方式提高信號(hào)傳輸速率會(huì)受到信道的噪聲容限及有效帶寬的限制。那么，采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)以降低單個(gè)載波傳輸速率的方式來(lái)獲得更高的信噪比增益，以增大載波的數(shù)量來(lái)提高信道帶寬利用率，最終提高系統(tǒng)的傳輸速率。 針對(duì)OFDM技術(shù)子載波調(diào)制方式靈活性的特點(diǎn)，根據(jù)耦合信道的特性選擇合適的子載波調(diào)制方式，信道條件較差時(shí)選擇抗誤碼性能較強(qiáng)的低階調(diào)制方式(如2PSK，QPSK)，信道條件較好時(shí)選擇傳輸效率較高的高階調(diào)制方式(如16QAM，64QAM)。在調(diào)制方式確定的情況下設(shè)計(jì)合理的星座圖映射，提高耦合信道的傳輸速率，達(dá)到1Mbp。 ⒌物聯(lián)網(wǎng)低成本水面數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的實(shí)現(xiàn) 支撐海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，除了前端智能浮標(biāo)技術(shù)、低成本傳感器陣列等之外，還要適于浮標(biāo)的低功耗、實(shí)時(shí)、可支持圖像端視頻等較大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)?、且具有穩(wěn)定業(yè)務(wù)化能力的水面無(wú)線通信技術(shù)。海洋牧場(chǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸需要覆蓋很長(zhǎng)的距離，功耗要求比較高，且海洋是一個(gè)不斷運(yùn)動(dòng)的環(huán)境，通信信號(hào)衰減比較嚴(yán)重。 從目前來(lái)看，傳統(tǒng)觀測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用的美國(guó)銥星系統(tǒng)符合要求，但其通信費(fèi)用很高，并不適用海洋牧場(chǎng)。而遠(yuǎn)程LoRa是最成功的LPWAN技術(shù)之一，它能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的遠(yuǎn)程低功耗通信，其通信距離可達(dá)5km以上，若每1min采集一次數(shù)據(jù)，兩節(jié)5號(hào)電池可供LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作3年左右。LoRa技術(shù)的LoRaWAN集成遵循物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通用集成規(guī)則，它的速率自適應(yīng)機(jī)制，可以使不同傳輸距離的設(shè)備根據(jù)傳輸狀況，盡可能使用最快的數(shù)據(jù)速率，使得整體的數(shù)據(jù)傳輸更有效率，非常適合于傳感器數(shù)據(jù)組網(wǎng)；而在價(jià)格上，單節(jié)點(diǎn)的LoRa芯片的價(jià)格為幾十元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前衛(wèi)星通信的價(jià)格，大大降低了該系統(tǒng)的應(yīng)用成本，可滿足海洋牧場(chǎng)的多要素監(jiān)測(cè)海量數(shù)據(jù)通信傳距離、低功耗、低成本、穩(wěn)定可靠的需求。 三、總結(jié) 現(xiàn)代化海洋牧場(chǎng)需要對(duì)牧場(chǎng)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行多要素立體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸手段存在著成本高、不能大量布設(shè)等問(wèn)題，成為構(gòu)建智能化的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的瓶頸問(wèn)題。本文基于陸地上蓬勃發(fā)展的所謂泛在感知的“物聯(lián)網(wǎng)”理念，設(shè)計(jì)了一種基于低成本小浮子的海洋監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，對(duì)于如何解決實(shí)現(xiàn)低成本和高可靠的小浮子、多要素傳感器鏈、水下數(shù)據(jù)傳輸和水面組網(wǎng)通信等問(wèn)題提出了具體解決措施。這些研究成果后續(xù)可以為海洋牧場(chǎng)或其他海洋觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)支撐，將一定程度改變當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)投入中存在的的技術(shù)手段傳統(tǒng)、落后、低效、信息化程度低等問(wèn)題，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。1.jpg)
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