海洋物联网关键技术研究与应用

瞿逢重，来杭亮，刘建章，涂星滨，姜园

（1. 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021；2. 中山大学电子与信息工程学院，广东 广州 510275）

1 引言

海洋观测技术一直以来都是世界各国研究发展的重点，它既是数字海洋的技术支持体系，也是军事战略的重要支撑。世界各国都在积极发展现代海洋监测技术，从空中、水面、水下3个维度对海洋环境进行立体观测。随着我国国民经济的发展以及基于国家安全方面的考虑，海洋观测技术在我国海洋经济、海洋科学以及军事中的地位和作用都将愈发显著。

常见的海洋观测手段包括基于船舶的短期观测、浮标观测网[1]、卫星遥感[2]以及海底观测网等方法。其中，海洋观测网具备独特优势，能够在恶劣条件下进行长期观测、能够提供可靠的电源供给和数据传输、支持多种类的传感仪器接入、具备进一步扩展能力等，使得海洋观测网成为海洋观测领域主流的观测手段[3]。传统的海洋观测网根据通信方式与布放形式，可以划分为有缆的海底观测网及无缆的水声观测网。单一的有缆海底观测网受到复杂海洋环境的限制，工程难度大、成本高、维护难，难以大范围地推广；而无缆水声观测网则面临通信速率低、距离受限、节点寿命短等问题。因此，在目前的海洋观测领域，通过单一形式的有缆或者无缆观测网难以满足我国海洋信息领域的需求，结合有缆、无缆优势，实现低成本投入、多仪器接入、低功耗运作、大数据挖掘的海洋物联网（marine internet of thing），正逐渐成为海洋观测技术的主流研究方向[4]。

海洋物联网于21世纪第2个10年开始被提出，是一个集海洋监测、信息传输、数据挖掘、结果反馈等多种功能于一体的海洋信息综合网络[5]，利用物联网相关技术，将水上及水下各类传感与监测终端互联互通，从而将海洋数据整合，实现对海洋繁杂数据的监测和系统化管理[6]。具体来说，海洋物联网通过水上或水下传感设备采集各类海洋传感参数，通过多种通信手段将数据发送至岸基站、数据中心或云平台，再利用数据挖掘和机器学习等技术与定制化的软件，对海洋数据进行统一的管理、分析及利用[7]。

随着我国海洋经济的蓬勃发展，作为能在海洋环境中进行实时、原位、长时间立体观测的海洋信息网络，海洋物联网将在我国海洋经济和安全、海洋科学以及国防事业中发挥极为重要的作用。在海洋经济和安全方面，海洋物联网不仅可为海洋牧场、海洋渔业等提供生态环境实时监测、为海底管线、核电站周边海域等提供状态信息实时追踪的服务，进而实现监测海域的可视、可测、可追踪，还能够对收集的数据开展深度融合智能分析，真正实现监测区域的环境可评估、风险可预警[8]。在海洋科学研究方面，海洋物联网具备海洋大数据的获取、存储和应用的功能，进而扩展人类对海洋空间认知的维度和深度[9]。在国防事业中，海洋物联网也将凸显其在海洋军事情报的监听与收集、港口及近岸水域的监测、水下侦察与多节点协作探测等方面的技术先进性[10]。

本文将着重介绍海洋物联网的发展过程与研究现状，并结合舟山摘箬山岛海洋观测网的实际研究，提出一种具有通用性的海洋物联网架构，并介绍一系列海洋物联网关键仪器，最后对海洋物联网的未来发展方向提出展望和思考。

2 海洋观测网的发展与研究现状

海洋物联网由传统海洋有缆和无缆观测网络的发展演变而来。在20世纪中期，美国就开始对海底观测系统进行研究，早期的研究成果有美国罗格斯大学设计的长期无人环境监测（long-term ecosystem observatory，LEO）系统[11]、伍兹霍尔研究所设计的观测（Hawaii-2 observatory，H2O）系统[12]。2006年，由美国与加拿大联合在北太平洋海底建设的深海长期观测网（victoria experimental network under the sea，VENUS）建成，其海底部分的核心控制设备为海洋仪器中控机（scientific instrument interface module，SIIM）[13]。2009年，加拿大海底观测网（northeast pacific timeseries undersea networked experiments，NEPTUNE）完成建设，拥有800 km的环形主干缆和5个海底节点[14]。除此之外，国外较为著名的缆海底观测网络系统有：美国国家科学基金会的大洋观测计划（ocean observation initiative，OOI）和美国国家海洋与大气管理局的海洋综合观测系统（integrated ocean observing system，IOOS）[15]、日本密集海底地震和海啸网络系统（development of dense ocean floor network system for earthquakes and tsunamis，DONET）[16]、欧洲海底观测网（European seas observatory network，ESONET）[17]等。随着我国经济、科技水平的提升，国内不少单位也开展了相关的工作，如中国科学院南海海底观测网[18]、同济大学东海海底小衢山试验站[19]等，这些站点为海洋信息的获取和利用提供了有效的依据。国内外有缆观测网的参数对比见表1。

表1 国内外有缆观测网参数对比

2014年，由浙江大学自主研发设计的浙江大学摘箬山岛海底观测网络（Zhejiang University Zhairuoshan experimental research observatory, Z2ERO），在浙江省舟山市摘箬山岛建设完成并投入使用[20]。整套系统由岸基站（shore station）、接驳盒（junction box）、海洋仪器中控机（SIIM）以及全长1.5 km的中继光缆组成，如图1所示。Z2ERO采用−10 kV高压直流供电，由接驳盒转压为375 V后输入SIIM，再通过SIIM转换为48 V、24 V、12 V等电压后为观测仪器供电。系统配备吉比特光纤通信，可用于高清视频和海量观测数据的实时传输。Z2ERO一共部署了两套SIIM节点，连接了2组共计14个用于海洋观测的传感仪器。

图1 浙江大学摘箬山岛海洋立体观测示范研究与试验系统（Z2ERO）架构

Z2ERO系统于2014年布放。在完成5年稳定运行之后，于2019年3月打捞上岸，完成预定工作任务。

Z2ERO的研制和部署在我国海洋观测网的发展过程中具有重要的意义，但同时也暴露出传统有缆观测网络的许多问题。首先，Z2ERO是单一的有缆观测网络，包含两个主要观测节点，覆盖范围较为局限。其次，接驳盒与SIIM的布放与回收需要大型的作业船只和专业的操作人员，日常维护极为不便，在布放以及回收工作过程中耗费了大量的人力物力。单一的有缆通信模式，以及复杂的、大型化的海洋观测接驳仪器限制了海洋观测网的发展和推广。小型化、无缆化、智能化的海洋观测仪器与平台，以及结合多种通信方式的海洋观测网络，具有重要的研究意义。

3 新型海洋物联网设计与实践成果

浙江大学海洋传感与网络研究所项目组在现有研究的基础上，以舟山群岛海域为典型，提出了一种新型海洋物联网架构，并研发了一系列的海洋物联网关键设备。该海洋物联网的通用模型，如图2所示。

图2 通用海洋物联网模型

该模型分为传感层、传输层、网络层、聚合层和应用层。第一层为传感层，是新型海洋物联网的信息源，包括海洋观测仪器、传感器、摄像头等的数据，可为各种海洋应用提供有价值的传感数据和识别数据。第二层为传输层，在海洋物联网中根据应用场景及速率要求选择不同的通信技术进行数据传输，是终端节点向上传输或接收 信息的手段，包括有线的以太网通信、无线的水声通信、窄带物联网通信等。第三层为网络层，该层为构建高效的海洋物联网拓扑结构，将传输层产生的数据传输至聚合层，以控制海洋物联网中各节点之间或节点与岸基之间的通信，如水声通信网络的介质访问控制（medium access control，MAC）等。第四层为聚合层，该层结合边缘计算和云计算技术，以处理海量的水下传感器和观测设备的数据。云服务器有着强大的计算能力，能将传输层数据进行分析计算并传输至应用层；边缘服务器可进行协同计算以降低云服务处理的数据量，以更低的时延向终端发出更快的决策响应。第五层为应用层，利用聚合层处理后的海洋数据，向用户提供可视化、智能化的服务，可应用于环境监测、海洋牧场、军事应用等多种场景[21]。

舟山群岛海洋物联网架构如图3所示，整体网络根据层次和通信方式可以分为海底有缆观测网络、水下声学观测网络与水面无线观测网络。其中，海底有缆观测网络由多个坐底式观测平台组成，平台通过光电复合缆与岸基站相连，由岸基站提供供电和数据传输支持；水下声学观测网络包括小型水声观测平台与搭载水声通信机的各类潜器（如AUV、ROV等），通过水声通信进行数据发送和接收；水面无线观测网包括无人船、浮标和浮球，通过电磁波进行无线通信，通信手段包括窄带物联网（narrowband internet of things，NB-IoT）、LoRa（long range）、4G/5G等。无线电通信将有缆观测网与水声观测网采集的数据实时传输至岸基数据中心进行处理和存储。这一架构将有缆观测、水声通信和无线电通信技术相结合，可实现海底、水下、水面的多层次立体化观测。同时，小型化的海洋物联网终端设计，在维持观测节点性能和续航时间的同时，降低了节点的成本，使得网络具有较强的可伸缩性，易于部署和维护。

图3 舟山群岛海洋物联网架构

小型化和低功耗是海洋物联网区别于传统海洋观测网的两大特点，必须在物联网关键设备上得以体现。本文在原有研究的基础上，对海洋物联网关键设备进行电气和机械结构优化，研制了一批针对海洋物联网的仪器设备与试验平台，关键仪器包括小型化SIIM、小型化水声通信机和窄带物联网微型浮球，试验平台包括适用于有缆观测的坐底式观测平台和适用于无缆观测的便携式水声释放平台。

（1）小型化SIIM研制

小型化SIIM是海洋观测节点的核心部件，具备电源管理、通信协议转换和自诊断功能。一般来说，传感器布放位置离岸较远，而网线等都不具备远距离传输的能力，故采取单模光纤作为通信媒介，以TCP/IP进行数据传输。而传感器的数据接口多为RS232/RS485，为能通过光纤传输，SIIM需提供协议转化模块，将各协议转为TCP/IP协议。同时SIIM要为传感器及内部的电路供电，而各部件所需的电压不同，因此需要电源模块进行转压。最后，对于各部分传感器的供电和通信需要进行管理，同时还要对SIIM内部的温/湿度、姿态等数据进行监测。因此，SIIM整体上包括转压模块、通信协议转换模块以及核心控制板。自主研制的小型化SIIM如图4所示，整体尺寸120 mm×180 mm，重量为8 kg。单个SIIM对外提供5个接口，接口类型包括RS485、RS232、Ethernet，供电电压包括48 V、24 V、12 V、5 V，单接口支持50 W峰值功耗，可根据搭载仪器需求调整SIIM内部电源模块进行适应性选配。可接入的仪器包括且不限于海底地震仪、声学多普勒流速剖面仪、温盐深仪、水下摄像头、水质传感器、水声通信机等。小型化后SIIM相比于上一版本的SIIM，在最大限度保留其原有功能的情况下，体积缩小了92.5%，质量减小了86.7%。

图4 小型化海洋仪器中控机（SIIM）

（2）小型化水声通信机研制

由于水下电磁波传播的局限性，声波成为了水中远距离传输更为有效的载体，而水声通信机则是实现水下声学通信与组网的关键设备。自主研发的小型化水声通信机如图5所示，工作频段为13～18 kHz，发射峰值功率为50 W，并具备休眠与唤醒能力。在休眠模式下，整机功耗小于30 mW。相干通信模式下，可实现4 kbit/s、2 kbit/s、1 kbit/s自适应速率通信，非相干通信模式下可实现100 kbit/s速率通信，通信距离达2.4 km，并同时支持63个节点的组网通信。该水声通信机的技术指标处于国内先进水平，能够适应海洋物联网多种场景下的应用需求。

图5 小型化水声通信机

（3）NB-IoT微型浮球研制

窄带物联网（NB-IoT）是一种新兴的低功耗物联网通信技术，具备低功耗、广覆盖、远距离、海量接入的特点，非常适合于河流和近海的数据传输。基于NB-IoT技术研制了一系列的微型浮球，如图6所示。搭载温度传感器、姿态传感器与定位模块，可以系于目标船体做跟随运动，或随海浪做拉格朗日漂流运动，并将采集数据实时回传至数据中心。窄带物联网微型浮球自带锂电池，通过低功耗的器件选型、电路设计与控制策略，可在海上连续作业3个月以上。

图6 窄带物联网微型浮球

（4）坐底式观测试验平台研制

坐底式观测平台是一种有缆的仪器试验平台，如图7所示。平台直径1.5 m，高0.5 m，重50 kg，采用光电复合缆进行供电和数据传输，对外提供5种不同类型的仪器舱，可以搭载多种类型海燕观测仪器进行长期原位观测作业。目前，平台内部搭载有SIIM、盐度传感器、溶解氧传感器、水下摄像头等设备，于2021年1月布放于舟山摘箬山岛北岙海域进行实海况试验及数据采集，稳定工作至今。

图7 坐底式观测平台

（5）便携式声学释放海洋观测平台研制

便携式声学释放海洋观测平台是一种无缆的仪器试验平台，如图8所示。平台直径74 cm，高50 cm，总重30 kg，搭载有SIIM、传感器、水声通信机和声学释放结构。该平台具备声学释放回收功能，在完成观测任务后，可通过接收特定声学波形信号，释放携带的浮球，通过浮球携带的缆绳对平台进行回收，适用于短期海洋观测试验作业。

以上所述的3种海洋物联网关键仪器与两种仪器试验平台，可以从海底、水下、海面3个维度进行多层次的海洋观测，并通过光缆、水声、无线电等多种方式进行数据传输，为海洋物联网的构建提供了更多的接入方式和观测手段。

4 海洋物联网发展趋势与思考

海洋物联网是传统海洋观测技术的演进产物，也是物联网技术在水下环境的延伸[22]。海洋物联网可以增进人类对海洋的认识，充分利用海洋的潜力，更合理地进行海洋环境治理，促进人类与海洋的和谐共处。然而，海洋环境的复杂性极大地限制了海洋物联网的发展，表现为海洋仪器复杂且贵重、水下通信手段受限、终端计算能力受限等，这些问题都亟待攻克和解决。可以预见，海洋物联网的发展将会有以下4个趋势。

（1）海洋观测节点小型化

轻量级、小型化、成熟且稳定的海洋观测设备是发展海洋物联网的基础，材料科学的发展将产生适应海洋环境下长时间稳定工作的材料，微电子产业的进步将进一步缩小电路体积，提高仪器性能，海洋设备制造产业的成熟将降低海洋仪器的造价。在这一趋势下，有更多的海洋仪器能够用于海洋物联网，拓宽海洋观测和开发的范围。

（2）水下通信技术多样化

复杂多变的水声信道极大地影响了水声通信的速率、距离和稳定性，更多用于克服这一障碍的技术手段正不断涌现，如水下MIMO通信技术、水下多模态通信技术等。同时，水下光通信、电磁通信也可在特定场景下作为声学通信的补充，高速率、远距离的水下通信技术将应运而生。

（3）智能终端与边缘计算的发展

人工智能及边缘计算的发展使得水下终端具备更强的数据处理能力，大部分的任务可以在边缘侧完成处理，从而降低数据的传输负载，提高海洋物联网的整体性能。

（4）组网协议标准化

海洋观测网中的观测节点种类繁多，通信协议各异，缺乏统一的接入标准和节点组网协议，标准化、强兼容性的接入和组网协议，可以实现海洋观测节点的互联互通，使数据传输在海洋和陆地间畅通无阻。

观测设备微型化是构建新型海洋物联网的基础，是传统海洋观测网向海洋物联网转变的第一步。在之后的研究工作中，将结合海洋物联网发展趋势，构建具有多样化通信手段、智能化终端计算、标准化组网协议的新型海洋物联网络。

5 结束语

本文介绍了传统海洋物联网的发展与研究现状，指出其存在的缺陷，并介绍了舟山群岛海域的海洋物联网架构以及SIIM、水声通信机、窄带物联网微型浮球、坐底式有缆观测平台、便携式无缆观测平台等关键设备。海洋物联网的发展将逐步走向观测节点小型化、通信技术多样化、计算智能化。未来，海洋物联网将进一步发展完善，以小型化、低成本、低功耗、智能化的节点形成大规模立体的海洋物联网，并最终接入陆地互联网络，实现“空天地海”万物互联的伟大愿景。