水下通訊技術范文

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篇1

1989年美國人Henry Stommel提出了用一種能夠在水下作滑翔運動的浮標進行海洋環境調查的設想[1]，它可以提供較高的空間和時間的密度測量、持續時間長的使命執行和更加靈活的操作，這就是水下滑翔機器人的最初概念。

與當前用于海洋環境監測的浮標相比，水下滑翔機器人具有很高的機動性和可控性，具有大約5KG有效負載能力，可以根據作業需要安裝各種專用的傳感器，完成各種作業任務。

2 控制系統硬件設計與實現

硬件結構主要分為水面控制系統和水下控制系統兩部分。

2.1 水面控制系統硬件

水面控制系統包括：主控計算機、操控系統、跟蹤定位系統、顯示系統、與水下的通信接口和臍帶等。

水面主控計算機系統采用一般標準配置的計算機，具有10/100M以太網卡、兩個串口。

水面控制盒內有：數傳電臺、調試電源、電壓電流顯示、電源的開關控制、水面電源與水下電源的切換控制、水下計算機的復位控制、與水下臍帶電纜的接口、與水面計算機的以太網和串口的接口等。

2.2 水下控制系統硬件

水下載體控制系統包括：水下主控計算機系統、電源系統、通訊系統、導航定位系統、安全控制系統和驅動調節系統。

水下主控計算機系統負責整個載體各傳感器數據的采集和運動控制，以及故障診斷與應急處理和有關機載設備的控制。

電源系統為水下滑翔機器人提供能源。

通訊系統由水面和水下通訊系統組成，它們都由發射接收模塊和天線組成。

導航系統。載體在水下時靠電子羅盤確定載體的運動方向和姿態，靠深度計確定工作深度。

安全控制系統主要監測系統的工作電壓、電源電壓、放電電流、電源剩余容量以及艙內是否漏水，并對某些故障進行適當的處理[2]。

驅動調節系統提供了所有基本的電機控制，包括雙極步進的整步、半步以及方向控制。

3 控制系統軟件設計與實現

控制系統軟件是水下滑翔機器人的核心部分，可分為水面控制系統軟件和水下控制系統軟件兩部分。

3.1 水面控制系統軟件

水面控制系統，實現任務規劃和制定、運動軌跡顯示、數據存儲、任務指令發送、數據接收并分析顯示。

監控與任務管理系統，提供與操作者的交互界面。操作者可控制作業任務，觀測載體運動信息，并對水下系統的詢問做出確認。

使命程序，由一組規劃好的運動和工作函數組成，由監控與任務管理系統調用。

數據分析模塊，分析水下發送來的各種數據，傳給監控與任務管理系統,并存儲。

水面通訊程序，將任務數據打包發送，并將水下傳來的數據傳給數據分析模塊。

3.2 水下控制系統軟件

水下控制系統是整個控制系統的核心部分，是建立在QNX實時操作系統基礎上的多任務、多優先級的實時監控程序。主要對載體設備進行管理和控制、檢查系統狀態、控制運動方式、數據的采集和交換、執行作業任務，建立通信連接，并對可預見的異常狀況做出處理。主要由公共數據區、數據采集模塊、數據分析模塊、數據記錄模塊、驅動調節模塊、運動控制模塊、航行控制模塊、設備驅動模塊、安全控制模塊和水下通訊模塊等部分構成。

公共數據區是整個系統數據通信及存儲的核心部分，各進程都以它為輸入輸出對象，特別是那些可執行級的進程，其數據可直接用于控制。在本系統中，各進程以不同的優先級和執行周期運行，除了數據分析進程之外，所有的進程都只讀寫公共數據區中的對應區域。

數據采集進程，周期地讀取傳感器信息并寫入公共數據區中，將公共數據區中的數據寫入設備。由于是多傳感器系統，所以采用多進程控制數據采集，每個傳感器依據自己的采樣頻率控制采樣。

數據分析進程，周期地讀取公共數據區內關于系統運行狀態的數據，并通過水下通訊進程傳給水上監控系統，實時地將水上控制系統的指令寫入公共數據區。

數據記錄進程，負責記錄系統運行的各種數據并寫入文件。

驅動調節進程，用于計算加在各電機上的控制量，根據具體控制算法來驅動電機。

運動控制模塊，通過選擇運動參數來實現對載體的運動控制及本地閉環控制。

驅動模塊驅動程序庫，在庫內放有全部機載設備的驅動程序，該程序庫可以根據需要增減。

安全控制模塊用于對機載設備的工作狀態的循檢、跟蹤執行任務的過程，對在復雜條件下可能遇到的異常情況，如漏水、超出極限深度、能源系統出現故障等進行緊急處理。

水下通信進程，完成數據的打包和解讀。在完成一個周期航行后，首先將所有記錄的數據通過數傳電臺發送到水面控制系統，發出詢問信息，之后接收水面控制系統發送來的作業任務和確認信息，通過數據分析模塊對所獲得的任務信息進行分析，分解為控制系統可以執行的指令，并將數據寫入公共數據區。

4 結束語

本文針對水下滑翔機器人在工作定的實時性、連續性、高精度、高可靠性等要求，利用現有的設備和技術，對水下滑翔機器人的嵌入式控制系統進行了系統的分析與設計。

本文提出的設計方案已經得到了實驗與實際驗證，已經成功應用于水下滑翔機器人的運動控制過程中，并且運行效果很好。

參考文獻

篇2

徐立鴻介紹，同濟大學2011年建立了國家設施農業工程技術研究中心，近年來參與的兩個863項目分別是設施農業植物工廠化生產低碳環境控制和溫室植物生長數字化與可視化過程再現。

設施農業也就是人們常說的溫室技術，是一種采用人工技術手段，改變自然光、溫、濕、氣（CO2）、營養灌溉等條件，創造適宜動植物生長的理想環境，使之能夠全天候生長的設施工程。

“這類研究我們已經做了20年，獲得了國家科技進步二等獎。十二五期間又繼續進行了以上兩個子項目的研究。植物的生長要依靠溫度、濕度、光照、二氧化碳、灌溉、營養等因素，非常復雜，我們對作物生長機理缺少深入的了解，需要研究智能算法來進行調控。”

要實現對溫室作物生長環境的智能調控，首先要充分獲取相關信息。徐立鴻老師的團隊設計了一套溫室調控物聯網系統，采取了“4+1”的架構。第一層是感知網絡或者傳感網絡，采集包括溫度、濕度、光照、二氧化碳、土壤溫度濕度、營養、水分等信息，同時還采用了圖像識別技術收集其他植物生長信息；第二層是現場控制系統，可以在本地進行一些簡單的調控處理。例如當現場控制系統發現溫室內溫度過高，則需要馬上打開天窗等調節手段；第三層是中心管控一體化系統，其核心是他們研發的國家發明專利成果“溫室環境多因子協調控制算法”，用此實現對整個園區各溫室植物的生長環境的優化控制；第四層就是云服務器系統，匯聚來自各溫室信息，通過人工智能算法和大數據等技術對溫室植物生長和氣候環境建立模型，以代替過去的經驗判斷?！?+1”的一是指手機等終端設備，使用戶可以在移動終端隨時了解溫室內的情況并進行實時干預調控。

得益于人工智能等技術，設施農業已經可以實現多因子調控和節能低碳等環境調控措施。

溫室植物生長數字化與可視化過程的虛擬實現則主要依靠VR技術在計算機上模擬植物生長和調控過程，可以進行調控決策優化。深度學習技術可以從獲取的視頻或者圖像中獲取葉片的亮度、顏色變化等信息，判斷出植物體內氮磷鉀元素含量從而推斷其營養狀況指導灌溉控制。

在國家設施農業工程技術研究中心控制實驗室，有一個建在沙盤上的可以調控的模擬溫室，它與真實溫室和計算機虛擬現實平臺三方聯動，聯合實驗，力求準確建立溫室作物與環境的相關模型、優化植物生長的全過程和相關的調控技術，“破譯”植物生長“密碼”。

產業化應用即將爆發

荷蘭是設施農業農產品凈出口額的“世界冠軍”，設施農業世界一流。其如此高的土地生產率得益于設施農業，有數字表明溫室和大田的產出比為8：1。

要真正實現設施農業的智能調控與管理，物聯網系統和人工智能等技術是必不可少的，尤其是在無公害蔬菜、水果等優質安全的農產品生產中必不可少。近年來我國的經濟發展水平達到了一個較高階段，人們對農產品的安全優質要求越來越高。因此，用物聯網系統和人工智能等技術武裝的設施農業產業化前景較為樂觀。

上海是農業部信息化試點城市，目前在推進互聯網+現代農業的行動計劃。互聯網和物聯網必須結合互通，對農業生產來說，物聯網是內網，互聯網則是外網，內外網互通，才能真正實現農業生產的高產、優質、高效、環境友好生產，實現產前規劃，產中管控，產后加工、存儲、物流及電子商務等多環聯動。才能實現農產品的溯源。

同時，徐立鴻表示，物聯網獲取的是真正的客觀信息，比起需要手工錄入的信息，物聯網設備采集的信息不能作假，更為真實，在無公害或者有機種植時更為可信。比如農藥用量如果以人為填報為主，信息容易作假。對農產品農藥殘留進行抽樣檢測也是事后行為，不如對農產品生產過程全程監控，例如對土壤中有害成分、植物的病蟲害情況等進行檢測，對保證農產品優質安全生產更為有效。

徐立鴻認為，物聯網的各類傳感器是一個關鍵因素。為此，智能感知技術成為關鍵技術。

人工智能是用機器模擬人的智能，其核心是智能算法。近年來由于深度學習算法的誕生，使得諸如語音識別、圖像處理等智能感知技術躍上一個新臺階。這些極大的促進了物聯網相關感知產品的研發和物聯網系統應用的進一步推廣。隨著智能手機的普及，手機掃碼、拍照等使得物聯網數據更加容易獲取。再加上大數據技術和云計算技術可以提供遠程服務，人們對物聯網的應用更加清晰與迫切，物聯網的行業應用已經并將持續爆發。

徐立鴻老師還提到仿生機器魚在水產養殖方面的應用，這項技術最早在美國應用于水源保護和水源質量監測等領域。將仿生機器魚納入水產養殖水質監控管理和水質監測中也是其產業化應用的未來方向。

目前的水質監測主要依靠在池塘中安放固定傳感器，只能監測固定點的水質數據，且傳感器容易損壞，影響捕撈。攜帶水質傳感器的機器魚可以實時獲得不同位置的三維水質數據，這對水產養殖是非常有益的。但機器魚走向應用還有一個過程，目前還存在運動速度、水下通訊能力、續航能力不理想等問題。