CN112566060A

CN112566060A - 一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统

Info

Publication number: CN112566060A
Application number: CN202011498627.6A
Authority: CN
Inventors: 郑羽; 费晨; 任院红; 卢彦芳; 东磊; 张世江
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112566060B

Abstract

本发明根据海洋牧场智能化监测立体网建设的需求，提出了一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统，在海洋牧场中搭建了基于LoRaWAN无线标准的传感器网络，水下基于感应耦合传输原理完成小浮子锚系链水下节点剖面海水温度信息传输，采用OFDM算法提高了信号的传输性能，水上将小浮子锚系链作为网络子节点，在适宜位置布放了网关节点，在水上的值守平台上安装了服务器终端，各个子节点，网关和服务器终端构成了一个无线传感器网络，在协议上了使用一个LoRa速率自适应机制保证了信号的传输速率，本发明提出的基于小浮子锚系链组网的水下水上一体化通信系统，为海洋牧场水下数据的监测与传输提供了低成本的解决方案。

Description

一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统

技术领域

本发明属于海洋通信技术领域，尤其涉及海洋牧场水下数据监测与传输系统。

背景技术

海洋牧场和海水养殖已成为对食品安全、经济增长做出重要贡献的产业。海洋牧场环境监测以及水下养殖生物实时监测是海洋牧场建设的重要方向之一。传统海洋牧场的环境在线监测技术，主要采用浮标搭载监测传感器，完成原位在线测量。这种模式价格昂贵，无法大量布设，多局限于海表面，使广域水体的监测成为一个难题。

在该监测网络中，要实现海洋牧场渔业广域水体水质生态环境多参数的原位在线监测，就需要在浮标下面的传感器链上布设多个节点传感器，对诸如海洋温度、生态、生物等多种环境剖面信息进行原位实时监测。每个浮标的多节点传感器链需要将数据实时传输到水面，再由水面多个浮标间进行高速的组网通信，这对如何保证海洋牧场环境智能监测网水下和水面两个空间维度的海量数据低成本高速传输提出了很高的要求。同时可能还需要布设多个水下视频在线监控节点，这样可随时掌控鱼虾等水产养殖产品生长发育情况，实现自动增氧、精准投喂和鱼病诊断等异常报警。这种网络状传感器和监控节点的分布，将形成的大量信息需要实时传输，因此设计一套满足海洋牧场生态环境监控网的高速数传解决方案具有重要的意义。

发明内容

本发明的技术解决问题：提供一种低成本的海洋牧场监测系统，基于水下信息采集节点、水上信息接收节点构成小浮子传感器链，形成监测系统中的子节点，利用LoRa技术将海洋信息后传给海洋牧场监测站，从而对海洋牧场水下情况进行监测。通过本项目的研究，提出了一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统，获得高可靠的水下感应耦合和水上浮标数据传输系统性能优化解决方案，为海洋牧场水下数据的监测和传输提供了系统的解决方案。

本发明的技术方案：

本发明是根据海洋牧场智能化监测立体网络化建设的需求，构建一套满足海洋牧场多要素监测数据水上水下一体化通信系统。在结构上，根据监控水域的范围，布放感应耦合锚系链，而每根上端固定在小浮子上，每根链下方布放多个温度传感器节点。在通信技术上，基于水下感应耦合传输技术，采用OFDM算法提高感应耦合信道的传输性能；在水上浮标间，提出长距离通信的LoRa组网技术。

具体步骤是：

1、基于小浮子锚系链的海上物联网结构设计：根据海洋牧场水域范围及特点，设计海上数据传输的LoRa的网络拓扑结构，确定LoRa各个子节点在LoRa网络中的分布位置，确定各类节点的协议设计规则；

2、小浮子锚系链由磁环、钢缆和海水组成传输信道，根据信道的传输特性，确定磁环的磁芯材料，设计OFDM算法的关键参数，将现有9600bps传输速率提高到10Mbps，传输误码率不大于10-4，满足海洋牧场大量监测数据高速实时传输的需求；

3、LoRa协议设计：基于LoRa协议中的MAC命令，研究节点加入网络的设计方法；设计子节点的分类原则对网络中功耗的影响规律；采用OTAA激活入网方式和MQTT入网协议，实现节点，网关和服务器间的通信协议；设计了LoRa协议中的速率自适应机制。

本发明的优点和有益效果：

本发明创新性地提出以低成本小浮子和传感器链的方式，针对海洋牧场广域水体环境监测的技术瓶颈，应用可大量“群蜂式”布放、高时空分辨率、兼顾环境与生物种群特征监测的低成本监测小浮子组网观测，使用低成本的水面水下无线传输无线通信手段搭载LoRa物联网技术进行互联互通，为构建海洋牧场环境智能化监测网提供全新的解决方案。本发明通过研究解决制约水下多传感器链感应耦合高速传输、水面小浮子多节点LoRa通信组网的关键科学问题，获得高可靠的数据传输系统性能优化解决方法，提出了一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统，本设计可以实现海洋牧场的多要素监测海量数据通信传输长距离、低功耗、稳定可靠的需求。

附图说明

图1基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统结构图

图2小浮子锚系链网络拓扑结构图，其中绿色为子节点，棕色G1-4为网关，N为网络服务器终端

图3 LoRa通信网络传输结构图，其中Nodes代表每一个LoRa子节点，Concentrator代表网关，负责LoRa子节点与网络服务器的消息转发，Network server代表网络服务器，负责LoRa网关数据的接收和云平台的接入与管理，应用服务器负责提供面向用户的服务

具体实施方式

本发明提出了一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统，详细技术路线如下。

第1步、海洋牧场水下水上一体化网络通信系统的组成

本项目搭建的基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统平台如图1所示，其中左边表示整个平台的搭建过程，整个平台拟监控的水域范围为10，其中左边表，水深为100m，整个区域布放20根感应耦合锚系链，每根上端固定在小浮子上，每根链下方布放6-8个温度传感器节点，剖面海水温度信息采用感应耦合传输方式；水上的值守平台上的节点作为主节点，在整个网络架构中为服务器终端，其周围的4个网关浮子上面带有LoRa网关，在整个网络架构中作为LoRa基站；分布在水域中的其余16个浮子为子节点，在整个网络架构中作为LoRa子节点，传感器采集到的温度信息通过感应耦合信道传输到水上后，通过LoRa子节点将采集的信息发送到LoRa基站，基站将收到的数据发送给服务器终端。

第2步、小浮子锚系链网络拓扑结构的设计

在海洋牧场拟监控的10洋牧场拟监控水域范围内，小浮子锚系链网络拓扑结构如图2所示，利用水面围挡将监控的水域范围隔离成16个有效区域，绿色小附子(1-16)为子节点，棕色小附子(G1，G2，G3，G4)作为网关位置固定，分别管理着周围4个附子，并将采集到的水下数据发送到服务器终端。从图中可知每个棕色网关管理的最大水域半径范围2.5km，与中间网关G1的通信距离为3.5km，通信协议采用LoRaWAN局域网无线标准。

第3步、基于感应耦合原理的小浮子锚系链水下数据通信技术

小浮子锚系链由磁环、钢缆和海水组成传输信道，根据海水传输频率的带宽特性，在100m深度对应的信号的传输带宽为1MHz，为了匹配海水信道的带宽，磁环选择Ironpowder磁芯材料，可实现10kHz-1MHz范围的信号传输带宽。

在100m的水深下，根据海水的多径信道模型计算，其最大延时量不大于6.76×10-6s，循环前缀的时间长度满足大于最大延时量，即可完全克服码间干扰的影响，循环前缀的引入会带来信噪比的损失，因此，为了节省信号功率，循环前缀时间长度一般取OFDM符号周期的1/5。

由于海水信道在100kHz低频段信号传输的信噪比相对较高，因此本发明采用注水原理提高100kHz低频段比特数分配率，子信道上传输b个比特所需的功率如公式(1)所示。

ε_i(b)＝(2^2b-1)σ_i ²/|H_i|² (1)

其中，ε_i是第i个子载波的功率，σ_i ²是第i个子载波的噪声方差，H_i ²是第i个子载波的信号方差。

贪婪算法的执行步骤如下：

(1)初始化

即对于所有的i＝1，2，...N来说，令b_i＝0，计算Δε_i(b_i+2)＝ε_i(b_i+2)-ε_i(b_i)。

(2)比特分配迭代

查找Δε_i(b_i+2)中的最小值，选择最小值对应的子信道序号j；

为该子信道分配2比特，则b_j＝b_j+2；

求和计算ε_i(b_i)+ε_i(b_j+2)；

重新计算该子信道递增功率Δε_i(b_i+2)；

重复上述步骤，直到ε_i(b_i)+ε_j(b_j+2)求和计算的结果大于设定的目标功率值。

(3)根据设定的目标值，完成功率和比特的最优分配。

根据上面的要求，设定OFDM算法的参数为，循环前缀长度为6.76μs，OFDM符号长度为33.8μs，子载波间隔为37kHz，采样周期为0.4225μs，子载波数设定为54，FFT点数为64。在该参数的设定条件下，经过信道模型的仿真测试表明，采用16QAM和QPSK两种映射方式下，在信号的传输速率为10M bps时，信号的传输的误码率不大于10^-4。

第4步、LoRa通信网络传输结构的实现

传感器采集到的信息通过感应耦合信道传输到水上后，LoRa子节点将采集的信息通过终端节点发送到网关，网关将受到的数据发送给服务器终端。节点通信具体分为节点激活、网络加入、信息传输三个操作过程，节点在激活之后会将信息存储到相应的设备中。在整个LoRaWAN网络中，节点加入网络通过对应的MAC命令来完成一系列操作。首先，节点会对向服务器发送关于加入系统的信息，网关通过射频端接收到节点数据信息之后会将信息上传给终端服务器，服务器在接收到入网请求之后会同意节点进入到网络系统中，并将设备进行注册处理，生成通信秘钥。其次，网关在接收到数据信息之后会将数据信息进行下放处理发出允许入网的指令信息。最后，对系统链路开展必要的检查，如果检查正常进行数据或者指令的发送和确认处理。其传输结构如图3所示，洋细介绍如下。

(1)终端节点的分类选择

终端节点分Class A/B/C三类终端设备，本发明中使用的为Class A，其采用ALOHA协议按需上报数据，在每次上行后都会紧跟两个短暂的下行接收窗口，以此实现双向传输，这种操作是最省电的，满足水上节点长期使用的需求，下行时机必须等待终端上报数据后才能对其下发数据。

(2)MQTT入网协议设计

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)，是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的″轻量级″通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，其最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用，满足海上应用的场景.

(3)使用OTAA激活入网方式

对于要入网的所有模块，只要符合LoRaWAN协议，LoRa网关与终端节点设备就能接入LoRa网络。本发明系统采用空中激活入网方式(Over The Air Activation，OTAA)，当终端节点上电时，若检测到该节点处于非入网状态，则该节点无法与服务器连接，只有已入网的节点才能与网络服务器通信。终端节点空中设备入网需要节点所属应用的AppEUI、节点的唯一设备标识码DevEUI及设备会话密钥DevKey三个原始参数。节点通过网关发送join_request消息请求入网，服务器收到入网请求，同意入网，并在服务器注册，生成通信密钥，再将通信密钥的参数打包下发至LoRa网关，即Join-accept消息，节点收到网关下发的数据包后再进行解析，获取通信参数，此时终端节点完成入网鉴权过程，与网络服务器建立通信。

第5步、LoRa传输速率的设计

为了扩大LoRaWAN网络容量，在协议上了使用一个LoRa速率自适应机制，不同传输距离的设备会根据传输状况，尽可能使用最快的数据速率。这样也使得整体的数据传输更有效率。自适应数据速率是网络命令节点通过使用一个请求的数据速率来执行速率自适应的过程。将数据速率表示为距离和扩频因子函数，根据距离的不同改变其扩频因子，来实现LoRa速率自适应机制。在其设置当中LoRa技术提供868MHz，915MHz，433MHz这三个频段，LoRa调制采用专利的扩频调制和前向纠错技术。与传统的FSK调制技术相比，LoRa扩大了其无线通信的覆盖密度，增加了通信距离，优化了链路的鲁棒性。LoRa有个关键参数为扩频因子，编码率和带宽，根据数据实际传输的需求调整以上参数，目前根据所设计的网络拓扑结构，子节点与网关间的距离小于2.5km下，通信速率不大于25kbs。

LoRa符号速率Rs可以通过以下公式计算：

Rs＝BW/(2^SF) (2)

LoRa数据速率DR可以通过以下公式计算：

DR＝SF*(BW/2^SF)*CR (3)

SF为扩频因子，BW为带宽，CR为编码率。

传输距离计算公式如下：

D＝10^[(发射功率-接收灵敏度-介质损耗-32.44-20*log10中心频率MHz)/2](4)

根据式2、3、4可知，在2.5km时最大通信速率到达25kbs，在3.5km时通信速率不大于15kbs。

本系统采用的硬件为包括LoRa子节点(拟采用sx1278)，LoRa无线传输集中器(拟采用RAK7249)和LoRa WAN网络服务器。

第6步、系统整体的设计与测试

在以上研究的基础上进行系统样机的设计，主要包括系统模块化设计、结构设计、相关性能检验以及海上试验。水下子节点主要实现温度剖面的测量，网关节点最下方安装水下摄像头，传输的视频数据传输到水上节点后，通过光纤实现视频信息的实时传输，DPSK调制解调模块、低功耗值守电源管理模块、信号处理电路模块、传感器采集模块6个部分。

通信过程为水下节点采集温度等传感器数据经由OFDM调制后经钢缆、海水、上方磁环进行电流耦合传输，由上方收集端经过解调后由LoRa射频模块将信息发送至网关，网关又经光纤将信息传至服务器，同时视频信息也由光纤传至服务器。本发明研发的LoRaWAN无线传感器网络采用ClassA模式，只有在节点向服务器发送数据后，才会打开两个接收窗口，每个接收窗口的维持时间为1s。各个LoRa子节点由速率自适应机制控制速率，服务器使用LoRaWAN网络专用服务器。观察各个节点数据传输的丢包率，看看会不会由于节点过多发生数据冲撞的问题，侦听模块上发数据，观察对应模块的信号强度是否正常，是否接近目前参数下的极限，如接近则很容易出现问题。丢包率在指标要求以内即可听过测试改变测试环境进行多次重复通信。分析误码率，误码率在指标要求以内即为测试通过，海洋牧场上海试测量通信系统的可靠性。

Claims

1.一种基于小浮子锚系链组网的海洋牧场水下水上一体化通信系统，其特征是：

第1步、海洋牧场水下水上一体化网络通信系统的组成

海洋牧场的监控的水域范围为10×10km，水深为100m，整个区域布放20根感应耦合锚系链，每根上端固定在小浮子上，每根链下方布放6-8个温度传感器节点，剖面海水温度信息采用感应耦合传输方式；水上的值守平台上的节点作为主节点，在整个网络架构中为服务器终端，其周围的4个网关浮子上面带有LoRa网关，在整个网络架构中作为LoRa基站；分布在水域中的其余16个浮子为子节点，在整个网络架构中作为LoRa子节点，传感器采集到的温度信息通过感应耦合信道传输到水上后，通过LoRa子节点将采集的信息发送到LoRa基站，基站将收到的数据发送给服务器终端；

第2步、小浮子锚系链网络拓扑结构的设计

利用水面围挡将10×10km水域范围隔离成16个有效区域，在每一个区域中布放1个小浮子锚系链作为网络子节点，共16个子节点，将16个子节点中相邻4个的设为一组，在中心点再布防1个网关节点，负责管理该组的4个子节点，每个网关节点管理的最大水域半径范围为2.5km；4个网关节点汇总子节点采集到的水下温度数据，统一发送到设置在水域中心点的服务器终端上，网关与服务器终端的通信距离为固定的3.5km；各个子节点，网关和服务器终端构成了一个无线传感器网络，通信协议均采用LoRaWAN局域网无线标准；

第3步、基于感应耦合原理的小浮子锚系链水下数据通信技术

小浮子锚系链由磁环、钢缆和海水组成传输信道，磁环选择Iron powder磁芯材料，可实现10kHz-1MHz范围的信号传输带宽；在数据传输技术上采用OFDM算法，基于注水原理提高100kHz低频段的比特数分配率，OFDM的符号长度设置为33.8μs，子载波间隔设置为37kHz，采样周期为0.4225μs，子载波数设定为54，FFT点数为64，在信号的传输速率为10Mbps时，传输误码率不大于10^-4；

第4步、水上LoRa网络结构数据传输技术的实现

水上LoRa通信协议采用LoRaWAN协议，采用class A终端设备、MQTT入网协议和OTAA激活入网方式，为了扩大LoRaWAN网络容量，在协议上了使用一个LoRa速率自适应机制，在子节点与网关间的距离小于2.5km下，数据的通信速率不大于25kbs；在网关节点与服务器终端3.5km距离下，数据的通信速率不大于15kbs。