史 博，芦雪松，陈 琳，戴宪邦，宋泓儒
(1.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；
2.上海船舶设备研究所，上海 200031；
3.上海船舶工艺研究所，上海 200032；
4.哈尔滨工程大学 物理与光电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)
现代海洋监测技术逐步向着高集成度、高时效、多平台、智能化和网络化方向发展，海洋多传感信息融合技术也应运而生[1]，其中基于无线传感网络的数据汇聚系统应用最为广泛。无线传感网络的灵活性、便利性与实时性在自组海面观测网络搭建的过程中起到重要作用[2]。但是，无线传感器网络在海面独立工作时，也会随时受到系统资源、内部负反馈等因素影响导致计算能力下降、传输距离减小、数据存储功能减弱、实时监测精度不高等[3–4]。
因此设计一套无线数据传输协议与智能无线传感器相互搭配组合，既能在智慧海洋无线传感网络组建中充分发挥作用，又能够实现海面无线数据传输的可靠性与鲁棒性，从而实现海洋数据分布采集、异步处理、实时监控、云端人机交互与控制的效果。
现如今，无线传感网络正在快速兴起与发展，它是多学科交叉、多专业互融的一个重要领域，其中组网通信技术、卫星定位技术、嵌入式信号处理阵列技术以及分布式多节点通信技术都伴随着无线传感网络逐渐应用到生产生活中[5]。如果说互联网改变了人与人之间的沟通，那么无线传感器技术真正意义上做到了人机交互、万物互联的功能[6]。利用无线传感网络，人类对世界的认知能力变得更加广泛、更加细致，因此无线传感网络技术在未来人类生产生活的进程中将会起到举足轻重的作用[7]。
海面无线传感网络通信技术也是伴随着物联网技术的发展逐渐产生，现如今已经运用到许多军用、民用等领域[8]。其中最为常见的是长基线海洋通信技术，又可以被称为“海洋上的卫星”，它的系统组成主要有三部分：一是水下合作或非合作目标；
二是海洋中继数据处理与无线收发系统；
三是母船数据汇聚与解算显控系统[9]。无线数据收发系统与数据汇聚解算系统的主要功能是将水下目标发射的声时延信息与中继单元的自身位置坐标信息转达给母船解算显控单元，它需要利用无线传感网络技术搭建长距离的数据链路传输，使得基线长度可高达十几千米甚至上百千米，所以更长的传输距离与更精准的数据精度与可信度成为海面无线数据传感网络的迫切需求[10]。还有一种是海洋观测浮标系统，它利用浮标系统自身搭载的多种传感器单元来实时获取海洋观测数据[10]；
所搭载的高精度温湿度传感系统可以实时监测海面的温度与湿度，并利用无线数据传输系统将所检测的数据实时回传[11]，这对于人们实时观测海洋气候变化、水文环境变化起到重要作用。
因此，在系统搭建的过程中，海洋无线数据传感网络实现数据传输系统与通信协议的协调搭配关乎到每一个项目的实际需求与应用。设计一套具备工程完备性与项目实用性的数据协议应用于多通道海面无线数据收发系统内，将对数据链路搭建与信息传输提供有力保障。
2.1 异步收发通信协议设计
多通道海面无线收发系统主要是利用无线传感器网络中的数据传输单元进行长距离、长航程、长航时的数据传输。传输内容主要包括下行数据协议和上行数据协议两大类，下行数据主要指母船汇聚单元下发控制指令及系统主控平台对合作目标的控制指令；
上行数据主要指自检响应指令、合作目标与外感数据指令。当各基元系统完成布放后，船载测控平台需针对各个单元进行指令控制的下达，当各个单元接收指令信号后进行自检响应，并及时上传船载测量船单元的数据信号，达到数据链路的有效传输。在工程实践应用中，传输的方式采用异步串口形式发送，避免了字符数据间不同步的影响。异步串口可以解决时钟差别不大情况下一个字符中比特位长度的有限传输效果。表1 为船载测控平台下行海面基元数据协议，数据总长度为12 Byte。协议内容主要包括表2 的海面单元自检数据协议，数据总长度为7 Byte。
表1 下行海面系统协议表Tab.1 Downlink sea surface system protocol table
表2 海面单元自检协议表Tab.2 Sea surface unit self-inspection agreement table
可以看出，无线数据传输协议在数据下行的过程中，需要文头与标识为对整体数据进行校验与判定，利用上述方法也有利于数据系统内部逻辑单元进行数据检测，指令内容主要为对于多路数据的控制命令，利用上述指令的前提是需要提前将内部控制单元（FPGA 核心处理板）的程序固化，这样更方便与系统的调试与监控。
海面无线数据收发系统自检协议的设计主要是针对母船解算显控系统的数据反馈。其中节点单元标号目的是用来区分多路数据汇聚信息过程中可能会产生的数据串扰，节点指令内容是当系统出现故障或者由于环境因素造成的系统不工作后将数据置0，给显控端以警示，需立即采取措施进行维修与补救；
反馈数据置1 则说明海面单元将启动开始工作。
当海面基元工作开始之后，系统内部信标信号接收器接收到的信标信号经过放大电路和带通滤波器后输入至AD 采集器，由FPGA 控制实现接收信号的采集，同时通过滤波处理滤出检测脉冲与测试脉冲信号，VCA 电路实现对放大电路增益的实时调控，系统的DSP 单元将进行接收数据的信息解算，利用自适应Notch 滤波、匹配滤波器、拷贝相关等技术完成对水下合作或非合作目标的实时解算并将结果数据转至SD 卡中完成数据解算与信息保存。表3 为最终得到水下合作目标的声时延数据。
表3 声呐时延数据协议表Tab.3 Sonar time delay data protocol table
根据前文所述，表4 为数传电台上行数据协议。系统接收合作目标的时延数据经过DSP 解算后，接收机利用FPGA 进行数据重组和打包，针对检测到的GPS 数据与高精度温湿度传感器模块进行数据提取，在保证系统干端无线电台传输速率的同时，完成显控单元所需解算数据的上传，这样既保证数据运算处理迅速，又可以使系统定位精度提高。
表4 电台上行数据协议表Tab.4 Radio uplink data protocol table
根据上述协议表可以计算出无线数据传输电台每秒发送的字节数41 Byte，每秒传输的总比特数H为41×10=410 bit。选定无线数据传输电台标定的串口速率为19 200 bps，可以实现系统数据收发功能，还能够使得海面无线数据传输系统的能耗有所降低。
2.2 数据协议的可信度定义
异步串口在进行数据收发与控制时，伴随着传输时间的增加、传输距离的增大与海面环境因素的变化，传输信息会出现误码、丢包、数据拥塞、数据串扰等一系列数据可信度不高等问题。在无线传感网络中，上述造成数据可信度不高的问题极为普遍，所以需要根据节点汇聚的不同数据信息进一步推断与拟合原始数据，并对所推断的数据与原始数据的相似性与真实性进行比对，相似性较大的被系统称之为可信数据，相似性一般的被称之为一般数据，相似性差别很大的被称之为可丢弃数据或无效数据，其中相似性较大的数据会与原始数据产生一个很大的数据交集，并且相邻的数据向量感知相似度极强。针对无线传感网络中多节点数据可信度感知无线信道收发数据信息的相似程度，给出所设计系统的数据可信度价值定义。
其中，p与q分别为海面传输系统中的2 个独立节点，代表在t时刻内两独立节点的信息量。
根据无线数据传输协议的数据内容进行节点之间的相似度分析。首先需要设定一个界限范围值 Ω，当经过无线信道收发后的传输数据与原始数据比对没有超过界限范围值时，可以说这段数据是有效的，进而证明本段数据传输有效。依此类推，多节点数据H={a,b,m,n···}利用上述判断所有节点的数据信息并逐一表示。
欧拉距离可以衡量无线数据协议相似度，并作为相似度大小的标准。以上文的海面两独立节点p与q为例，的欧氏长度为：
根据式(3)可知，欧式长度间距越大，系统数据传输相似度越低，信道干扰越强烈，数据价值可信度越低。设数据价值可信度为 β，当时，可以验证各个节点单元的数据价值可信度高，无线数据传输性能优良。
各个节点数据价值W定义为所传输的数据协议中的元素，即M=|Hi|。由此可见，W越大，节点数据价值越大，此时无线数据传输信道的性能更高。
2.3 数据协议收发流程设计
当无线数传系统开始工作时，电台的功能模块由待机状态改变为待发送模式，电台逻辑控制单元将自动删除前一次存储在寄存器内部的信息并启动异步串口收发数据使能模块上电。完成上述步骤后，电台模块发射单元已经处于发送状态，下一步将进行数据发射。电台通过检测串口输入的起始位编码启动串口发射使能并产生发送码，开始通过异步串口单元发送数据。
本系统在进行数据收发的过程中，将会自动配对并给予信号发射器命名为“主”，给予数据接收器命名为“从”。当“主”电台完成一次数据发送后，会给“从”电台发送特殊编码信号，即完成一次成功的发送。图1 为无线数据发送系统工作流程，对于外部输入串口数据单元来说，系统检测到外部输出使能后要根据需求产生自身的信息编码，从而达到信息加密的特点。
图1 无线数据发送系统工作流程Fig.1 Work flow of wireless data transmission system
在研究过程中，系统随环境因素影响较大，因此，当进行异步数据串口发送完成后，“主”电台没有立刻收到“从”电台返回的“握手”协议，此时表明虽然“主”电台已经完成发送但“从”电台并未接收，单边信息隔断将会造成数据丢失，不利于后续数据汇聚分析与解算。此时“主”电台的数据重发功能在上述不可抗拒的因素中将被充分发挥作用。用户可以根据自身需求，设定重发功能次数以便合理地解决数据帧丢失的问题。
图2 为无线数据接收系统工作流程框图，当信号发射机启动并开始利用异步串口发送数据时，信号接收机（“从”电台）在上电瞬间收到“主”电台的信号标识，二者产生配对效应并开始工作。当处于待机状态时，“从”电台的接收使能置0 直到系统检测到发射机的发射频率后启动异步串口数据接收功能。
图2 无线数据接收系统工作流程Fig.2 Work flow of wireless data receiving system
在进行数据接收的过程中，“从”电台与“主”电台的工作模式相同，只有检测到起始位特殊编码后将起始位信号置1 才能进行异步串口数据的接收。本系统在进行接收数据时，采用的编码技术也是内部自身的联合调频编码技术，大大增加系统接收性能。当系统完成一次数据接收后，“从”电台会立刻发送特殊编码信号给“主”电台接收成功，进行下一次异步串口数据的收发。
表5 为无线电台的收发频率表，多节点海面数据收发单元共有6 套传输电台，频率与波长的关系式为：
表5 无线电台收发频率表Tab.5 Radio transceiver frequency table
由于天线布放过程中需要考虑自身波长间距，因此根据上述公式逐一计算出各个频率对应的波长，以便后续母船通信具备优良的汇聚效果。
基于定位测距设备海面定位通信项目研发阶段性进展，需进行外场水面测试试验。
3.1 单节点拉距实测
如图3 所示，本次试验主要目的是测量无线数据传输电台的实际通信距离。采用单节点系统内部的高精度GPS 定位接收机与上方无线电台直连的方式实时定位和校准自身的位置，母船的无线电台直连1 台高精度GPS 定位接收机实时获取母船自身的GPS 位置，利用相关解算软件实时监测湖面单节点系统与母船之间的距离。
图3 湖面拉距测试图Fig.3 Lake surface drawing distance test chart
在通信母船行进的过程中，通信电台与天线要实时保持高度不变，间隔相同时间进行一次数据校准。如果数据校准正确，则判断本次拉距测试试验成功，两点距离在系统无线传输距离范围之内。以此类推，母船继续沿着背向发射电台的方向行进并不断校准测试。随着距离不断增加，无线传输系统受到周围环境的影响会逐渐产生信号衰减、数据丢失或终止通信，此时需要停止母船的行驶并记录自身的GPS 位置坐标，通过解算软件实时汇聚并计算的通信距离为无线数据传输电台的最大作用距离。根据上述方法测试1 套电台结束后，按照同样的流程与安装、拉距步骤将其余5 套数据传输电台进行测试并做好实验数据记录方便后续整理与分析。
经过大量的数据对比与长时间的拉距测试试验（见图4），当无线收发数据的长度控制在100 Byte以内时，所有电台的通信距离均在10 km 以上，解决了无线数据汇聚聚合的长距离传输问题。随着数据长度的逐渐增加，无线传输系统的传输效率会随之下降，当数据每秒钟的吞吐量达到500 Byte 以上时，通信电台的距离指标高于6 km，但更高的传输精度是实现海面长基线定位应用的必要条件。
图4 不同频率单节点数据量与传输距离仿真测试图Fig.4 Simulation test chart of data volume and transmission distance of a single node at different frequencies
3.2 多节点拉距研究
为了进一步对系统通信能力以及多路无线收发系统同时工作的数据汇聚功能将进行检验，在湖面进行多通道无线电通信拉距试验。通信模块的发射功率为2 W；
发射端天线与母船接收端天线均采用全向天线，增益为5 dBi。在天线安装的过程中，接收端的6 部天线固定在以正六边形为载体的抱杆上部，周围无遮拦，通信强度与信号质量良好。两两天线之间的距离不低于一个波长。根据前文计算可得天线之间的距离不低于0.8 m。
将外接设备连接完毕后，进行内部无线数据传输电台与总控平台的数据链路搭建。无线电台以网口形式输出信息，考虑到六路信息汇聚会造成数据拥塞，此时FPGA 核心处理版将会根据六路数据的具体形式进行实时拆包、拼包与上传。显控单元将数据显示并进行距离信息结算，内部的存储系统也将六路信息汇聚在内部存储卡以便后续的分析与应用。
试验的主要目的是为了验证6 通道数据汇聚与接收以及船载接收端实时显控的能力。验证方法与上一节基本相似，但在布放过程中，数据发射端受到浪、涌的众多因素干扰，导致天线状态不稳定影响数据传输的效率。设定接收端天线高度为10 m，发射端天线距离浪高2 m 进行数据测试，6 通道数据均已回传并将GPS 数据中的GNGGA数据进行提取并显示出来，GPS 下发的所有数据也均已存入系统内部便于后续的接收和解算。
3.3 通信数据误包率仿真
根据大量的试验数据与分析结果可以得出，随着测试时间变长、拉距距离逐渐增大，无线数据传输系统所收发的相关环境因素干扰也随之加大，如果在平稳的湖面或海面进行试验，传输效果将会有明显提高。图5 为系统误码率随时间的变化图。
图5 不同频率下误码率随时间变化仿真图Fig.5 Simulation diagram of bit error rate with time under different frequencies
可以看出，无线数据传输系统的误包率随频率变化影响不大，在不间断测量420 min 后，所有数传电台的误包率均稳定在5.5%左右，可以达到湖面无线数据传输与聚合主要指标，为后续海面拉距实测也提供必要功能保障。
3.4 数据可信度仿真分析
综合上述系统拉距功能测试与数据误包率仿真分析，结合海面湿度传感器回传协议数据，根据露点温度与气温计算湖面的绝对湿度，通过绝对湿度与饱和状态下的湿度比值计算出湖面的相对湿度。图6 为不同频率下数据可信度随湖面相对湿度仿真测试图。
图6 不同频率下数据可信度仿真测试图Fig.6 Data reliability test chart at different frequencies
在保证传输距离为8.95 km 的情况下，测试100 min数据，得出当湖面相对湿度较大或者阴雨天时，数据可信度较低并变换较为明显。当湿度较低时，数据可信度较高，此时信号传输性能较好。当无线数据传输可信度相对值达到86%以下时，需要终止无线数据传输。这与无线电磁波在介质中传播受到环境干扰因素相吻合。
基于海面无线传感网络的理论研究了无线通信系统与多传感器模组之间的数据协议架构与具体内容，得到以下结论：1）利用无线数据传输电台的系统收发功能完成了异步串口数据的汇聚与分发，解决了多路数据并行处理的串扰与拥塞。2）测量单节点与多节点数据协议传输性能。单节点采用的是逐一频率长距离拉距试验测试，利用显控解算界面的统计计算功能实时计算通信母船与单节点的距离，最终测得二者相距10.9 km 时数据出现误码并停止通信，大于指标6 km的需求，此项技术满足要求。3）针对多节点多频段无线汇聚系统的搭建、布放与数据协议误码率测量，验证了在保证发射天线高度不变的情况下，接收天线越高系统的数据协议误码率越小并在系统指标需求以内。相比于其他频段，433 MHz 受到外界影响因素较大，因此它在传输时间逐渐增长时，系统的数据协议误码率逐渐增大并高于其他5 个频段。
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