水下通讯技术范文

导语：如何才能写好一篇水下通讯技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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1989年美国人Henry Stommel提出了用一种能够在水下作滑翔运动的浮标进行海洋环境调查的设想[1]，它可以提供较高的空间和时间的密度测量、持续时间长的使命执行和更加灵活的操作，这就是水下滑翔机器人的最初概念。

与当前用于海洋环境监测的浮标相比，水下滑翔机器人具有很高的机动性和可控性，具有大约5KG有效负载能力，可以根据作业需要安装各种专用的传感器，完成各种作业任务。

2 控制系统硬件设计与实现

硬件结构主要分为水面控制系统和水下控制系统两部分。

2.1 水面控制系统硬件

水面控制系统包括：主控计算机、操控系统、跟踪定位系统、显示系统、与水下的通信接口和脐带等。

水面主控计算机系统采用一般标准配置的计算机，具有10/100M以太网卡、两个串口。

水面控制盒内有：数传电台、调试电源、电压电流显示、电源的开关控制、水面电源与水下电源的切换控制、水下计算机的复位控制、与水下脐带电缆的接口、与水面计算机的以太网和串口的接口等。

2.2 水下控制系统硬件

水下载体控制系统包括：水下主控计算机系统、电源系统、通讯系统、导航定位系统、安全控制系统和驱动调节系统。

水下主控计算机系统负责整个载体各传感器数据的采集和运动控制，以及故障诊断与应急处理和有关机载设备的控制。

电源系统为水下滑翔机器人提供能源。

通讯系统由水面和水下通讯系统组成，它们都由发射接收模块和天线组成。

导航系统。载体在水下时靠电子罗盘确定载体的运动方向和姿态，靠深度计确定工作深度。

安全控制系统主要监测系统的工作电压、电源电压、放电电流、电源剩余容量以及舱内是否漏水，并对某些故障进行适当的处理[2]。

驱动调节系统提供了所有基本的电机控制，包括双极步进的整步、半步以及方向控制。

3 控制系统软件设计与实现

控制系统软件是水下滑翔机器人的核心部分，可分为水面控制系统软件和水下控制系统软件两部分。

3.1 水面控制系统软件

水面控制系统，实现任务规划和制定、运动轨迹显示、数据存储、任务指令发送、数据接收并分析显示。

监控与任务管理系统，提供与操作者的交互界面。操作者可控制作业任务，观测载体运动信息，并对水下系统的询问做出确认。

使命程序，由一组规划好的运动和工作函数组成，由监控与任务管理系统调用。

数据分析模块，分析水下发送来的各种数据，传给监控与任务管理系统,并存储。

水面通讯程序，将任务数据打包发送，并将水下传来的数据传给数据分析模块。

3.2 水下控制系统软件

水下控制系统是整个控制系统的核心部分，是建立在QNX实时操作系统基础上的多任务、多优先级的实时监控程序。主要对载体设备进行管理和控制、检查系统状态、控制运动方式、数据的采集和交换、执行作业任务，建立通信连接，并对可预见的异常状况做出处理。主要由公共数据区、数据采集模块、数据分析模块、数据记录模块、驱动调节模块、运动控制模块、航行控制模块、设备驱动模块、安全控制模块和水下通讯模块等部分构成。

公共数据区是整个系统数据通信及存储的核心部分，各进程都以它为输入输出对象，特别是那些可执行级的进程，其数据可直接用于控制。在本系统中，各进程以不同的优先级和执行周期运行，除了数据分析进程之外，所有的进程都只读写公共数据区中的对应区域。

数据采集进程，周期地读取传感器信息并写入公共数据区中，将公共数据区中的数据写入设备。由于是多传感器系统，所以采用多进程控制数据采集，每个传感器依据自己的采样频率控制采样。

数据分析进程，周期地读取公共数据区内关于系统运行状态的数据，并通过水下通讯进程传给水上监控系统，实时地将水上控制系统的指令写入公共数据区。

数据记录进程，负责记录系统运行的各种数据并写入文件。

驱动调节进程，用于计算加在各电机上的控制量，根据具体控制算法来驱动电机。

运动控制模块，通过选择运动参数来实现对载体的运动控制及本地闭环控制。

驱动模块驱动程序库，在库内放有全部机载设备的驱动程序，该程序库可以根据需要增减。

安全控制模块用于对机载设备的工作状态的循检、跟踪执行任务的过程，对在复杂条件下可能遇到的异常情况，如漏水、超出极限深度、能源系统出现故障等进行紧急处理。

水下通信进程，完成数据的打包和解读。在完成一个周期航行后，首先将所有记录的数据通过数传电台发送到水面控制系统，发出询问信息，之后接收水面控制系统发送来的作业任务和确认信息，通过数据分析模块对所获得的任务信息进行分析，分解为控制系统可以执行的指令，并将数据写入公共数据区。

4 结束语

本文针对水下滑翔机器人在工作定的实时性、连续性、高精度、高可靠性等要求，利用现有的设备和技术，对水下滑翔机器人的嵌入式控制系统进行了系统的分析与设计。

本文提出的设计方案已经得到了实验与实际验证，已经成功应用于水下滑翔机器人的运动控制过程中，并且运行效果很好。

参考文献

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徐立鸿介绍，同济大学2011年建立了国家设施农业工程技术研究中心，近年来参与的两个863项目分别是设施农业植物工厂化生产低碳环境控制和温室植物生长数字化与可视化过程再现。

设施农业也就是人们常说的温室技术，是一种采用人工技术手段，改变自然光、温、湿、气（CO2）、营养灌溉等条件，创造适宜动植物生长的理想环境，使之能够全天候生长的设施工程。

“这类研究我们已经做了20年，获得了国家科技进步二等奖。十二五期间又继续进行了以上两个子项目的研究。植物的生长要依靠温度、湿度、光照、二氧化碳、灌溉、营养等因素，非常复杂，我们对作物生长机理缺少深入的了解，需要研究智能算法来进行调控。”

要实现对温室作物生长环境的智能调控，首先要充分获取相关信息。徐立鸿老师的团队设计了一套温室调控物联网系统，采取了“4+1”的架构。第一层是感知网络或者传感网络，采集包括温度、湿度、光照、二氧化碳、土壤温度湿度、营养、水分等信息，同时还采用了图像识别技术收集其他植物生长信息；第二层是现场控制系统，可以在本地进行一些简单的调控处理。例如当现场控制系统发现温室内温度过高，则需要马上打开天窗等调节手段；第三层是中心管控一体化系统，其核心是他们研发的国家发明专利成果“温室环境多因子协调控制算法”，用此实现对整个园区各温室植物的生长环境的优化控制；第四层就是云服务器系统，汇聚来自各温室信息，通过人工智能算法和大数据等技术对温室植物生长和气候环境建立模型，以代替过去的经验判断。“4+1”的一是指手机等终端设备，使用户可以在移动终端随时了解温室内的情况并进行实时干预调控。

得益于人工智能等技术，设施农业已经可以实现多因子调控和节能低碳等环境调控措施。

温室植物生长数字化与可视化过程的虚拟实现则主要依靠VR技术在计算机上模拟植物生长和调控过程，可以进行调控决策优化。深度学习技术可以从获取的视频或者图像中获取叶片的亮度、颜色变化等信息，判断出植物体内氮磷钾元素含量从而推断其营养状况指导灌溉控制。

在国家设施农业工程技术研究中心控制实验室，有一个建在沙盘上的可以调控的模拟温室，它与真实温室和计算机虚拟现实平台三方联动，联合实验，力求准确建立温室作物与环境的相关模型、优化植物生长的全过程和相关的调控技术，“破译”植物生长“密码”。

产业化应用即将爆发

荷兰是设施农业农产品净出口额的“世界冠军”，设施农业世界一流。其如此高的土地生产率得益于设施农业，有数字表明温室和大田的产出比为8：1。

要真正实现设施农业的智能调控与管理，物联网系统和人工智能等技术是必不可少的，尤其是在无公害蔬菜、水果等优质安全的农产品生产中必不可少。近年来我国的经济发展水平达到了一个较高阶段，人们对农产品的安全优质要求越来越高。因此，用物联网系统和人工智能等技术武装的设施农业产业化前景较为乐观。

上海是农业部信息化试点城市，目前在推进互联网+现代农业的行动计划。互联网和物联网必须结合互通，对农业生产来说，物联网是内网，互联网则是外网，内外网互通，才能真正实现农业生产的高产、优质、高效、环境友好生产，实现产前规划，产中管控，产后加工、存储、物流及电子商务等多环联动。才能实现农产品的溯源。

同时，徐立鸿表示，物联网获取的是真正的客观信息，比起需要手工录入的信息，物联网设备采集的信息不能作假，更为真实，在无公害或者有机种植时更为可信。比如农药用量如果以人为填报为主，信息容易作假。对农产品农药残留进行抽样检测也是事后行为，不如对农产品生产过程全程监控，例如对土壤中有害成分、植物的病虫害情况等进行检测，对保证农产品优质安全生产更为有效。

徐立鸿认为，物联网的各类传感器是一个关键因素。为此，智能感知技术成为关键技术。

人工智能是用机器模拟人的智能，其核心是智能算法。近年来由于深度学习算法的诞生，使得诸如语音识别、图像处理等智能感知技术跃上一个新台阶。这些极大的促进了物联网相关感知产品的研发和物联网系统应用的进一步推广。随着智能手机的普及，手机扫码、拍照等使得物联网数据更加容易获取。再加上大数据技术和云计算技术可以提供远程服务，人们对物联网的应用更加清晰与迫切，物联网的行业应用已经并将持续爆发。

徐立鸿老师还提到仿生机器鱼在水产养殖方面的应用，这项技术最早在美国应用于水源保护和水源质量监测等领域。将仿生机器鱼纳入水产养殖水质监控管理和水质监测中也是其产业化应用的未来方向。

目前的水质监测主要依靠在池塘中安放固定传感器，只能监测固定点的水质数据，且传感器容易损坏，影响捕捞。携带水质传感器的机器鱼可以实时获得不同位置的三维水质数据，这对水产养殖是非常有益的。但机器鱼走向应用还有一个过程，目前还存在运动速度、水下通讯能力、续航能力不理想等问题。