Underwater Mobile Platform Data Acquisition and Transmission System Design*

YANG Haibo，XU Yuanxin，XU Wen，LIU Chenzhan

(Department of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Underwater Mobile Platform Data Acquisition and Transmission System Design*

YANG Haibo，XU Yuanxin*，XU Wen，LIU Chenzhan

(Department of Information Science and Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

In order to realize the goal of underwater environment monitoring and data acquisition，this paper designs and implements a set of data acquisition and transmission system based on Autonomous Underwater Vehicle (AUV)，which is used in the underwater sensor network.The system adopts two MCU with distributed processing mechanism.It also adopts the suitable frame for data storage and communication and ARQ protocol to make sure the reliable data transmission and storage，which make it possible for a long time environmental and sensor working state monitoring.Several experiment results in lake show that the system not only has good stability and real time but also satisfies the demands of data acquisition and transmission，which is of great value to the mobile node design of the underwater sensor network.

underwater sensor network;environment monitor;AUV;data acquisition and transmission

海洋是人类的资源宝库，也是权益维护的战略重地。随着人们对海洋环境的科学研究、商业开发及沿海军事防御兴趣的日益增加，信息化、现代化的海洋开发技术和海洋环境研究日益受到关注。

在海洋科学研究中，高精度、实时的水下环境数据采集系统在开发海洋资源，研究海洋物理现象等方面都有着十分重要的作用。通过建立水下传感网络，可以把不同距离的传感器收集到的大量数据信息通过水面节点以无线或有线的方式及时地传递到地面控制中心。与传统的数据采集方式相比，这样不仅提高了数据采集效率，防止了因节点失效而导致的数据丢失，同时也扩大了可观测区域。在水下传感网络中，控制中心还可以根据实时数据采集情况向水下节点发出控制信息，以调整工作状态，进行采集任务更新和网络重组等工作［1］。

AUV(Autonomous Underwater Vehicle)是一种在水下传感网络中常用的移动平台［2-3］。搭载有各种传感器的AUV平台，可以在水下自由移动，动态地监测不同区域环境，并根据环境变化来自适应地调节采样机制，跟踪特定的海洋现象，如温跃层和上涌流。AUV的加入，扩大了整个网络对环境的监控范围，提高了网络对短暂、特殊海洋物理现象的跟踪和探测能力，因此设计一套基于AUV平台的数据采集和传输系统，对实现数据的网络化传输和环境监测具有重要意义。

在陆地无线网络中，网络节点设计已经有了较为成熟的方案［4-5］，但是由于传播介质的不同和水下环境的复杂性，这些方案都不能很好地应用于水下。文献［6］是提出了一种典型的基于无线网络的监控平台设计，但是没有对链路中断的情况提出有效的解决方案，而在水下环境中，由于多径、强多普勒效应和噪声的影响，通信链路极不稳定，因此该方案并不适用于水下监控平台的设计。文献［7］提出了水下网络节点设计的总体系统方案，但是并没有针对水下移动节点的数据采集和传输进行详细、完整的设计，同时对系统如何保证数据传输链路的可靠和系统的稳定性并没有有效的解决方案。

本文结合水下传感网络中典型AUV移动平台结构和工作特点，设计并实现了一套环境数据采集和传输系统。系统采用双MCU机制处理数据，加快了数据的处理速度。文章还针对采集数据设计了合理可靠的存储格式，将AUV的位置信息、本地时间和采集数据相结合，在时间和空间上重构了整个采集过程。为保证数据的有效传输，系统采用了ARQ协议，并设计了通信帧格式。所设计的系统在千岛湖声学所试验基地组织的首次大规模通信组网试验中进行了测试和验证。湖上试验结果表明:系统工作稳定，可应用于水下传感网络中AUV移动节点环境数据的实时采集和传输，对水下传感网络中的移动节点设计具有较高的参考价值。

1 系统架构

“海豚一号”AUV是浙江大学声信号处理实验室研制的可实现水下自主定向、定深航行的航行器，其结构如图1所示。在“海豚一号”AUV控制舱中，搭载有4种测量AUV运动状态的传感器:可测量AUV运动速度、离地高度的多普勒计程仪(DVL)、测量AUV运动姿态角的智能电子罗盘(IGC)、全球定位系统(GPS)和测量AUV运动深度的深度计。此外，在AUV的艏部，还搭载有测量水下环境温度、盐度和压强的温盐深仪(CTD)，是水下传感网络中的典型移动平台。

图1 “海豚一号”AUV

数据采集和传输系统安放在艏部的电子舱内，该系统不仅要实现对环境数据、AUV运动状态数据的采集和存储，还要实现对采集数据的定期实时上报，整个系统结构如图2所示。系统由AUV自身携带电池供电，采用了分布式处理机制，对环境信息传感器和AUV运动姿态传感器采集的数据分别进行处理和运算，并通过数据传输模块将原始数据进行存储，经声学通信机发送给网络中的其他节点，实现数据的网络化传输。

图2 水下传感网络节点中的数据采集系统结构

2 硬件设计

系统以NXP公司的LPC2368芯片为核心进行设计和搭建。该芯片是一款基于ARM7的微控制器，包含了10/100 Ethernet MAC，USB2.0全速接口，4个UART，2路CAN通道，1个SPI接口，2个同步串行接口(SSP)，3个I2C接口和一个I2S接口，特别适用于需要多路串行通信的场合［8］。

整个硬件设计框图如图3所示。系统主要由两片LPC2368芯片组成，采用主从模式工作，其中芯片A为主MCU，芯片B为从MCU。从MCU接收AUV运动状态传感器(IGC、DVL和GPS等)数据，推算AUV航行位置，并将数据和推算结果根据主从通信协议传送给主MCU。主MCU接收从MCU上传的AUV运动状态信息，同时将CTD采集到的环境信息(如温度、盐度和压力)一起存入Flash芯片中，并将数据打包发送给声学通信机，与传感网络中的其他节点进行通信。通过这种方式，AUV采集到的有用数据得到存储，并在水下传感网络中传输，从而实现了环境变化和AUV运动姿态的监测。

图3 数据采集和传输系统硬件框图

在主MCU的外围电路中，具有RTC实时时钟电路和CTD控制电路，可以控制传感器的采样起始时间、采样时间长度、采样时间间隔以及控制CTD的开关，从而降低整个系统的功耗。

3 软件设计

3.1环境和运动姿态数据采集软件设计

“海豚一号”AUV中的传感器数据均可通过串口传输到数据采集系统中，数据采用中断发送和接收［9］，程序流程图如图4所示。

图4 数据采集和发送过程流程图

在对数据进行采集和处理的过程中，系统采用分层设计方案，共分为三层，每一层对应一个数据缓冲区:数据接收缓冲区，数据处理缓冲区和数据发送缓冲区。数据接收缓冲区首先对数据进行接收，在接收到完整的数据帧后将数据放入数据处理缓冲区。在数据处理缓冲区中对接收到的数据进行处理并进行CRC校验，丢弃不正确的数据帧，将正确的数据帧放入数据发送缓冲区，数据在发送缓冲区内根据相应的数据传输协议进行打包，并通过串口传输给指定设备。在整个数据传输的过程中，加入的超时机制和CRC校验，保证了目的端接收数据的正确性［8］。

系统需要存储数据有AUV运动姿态角数据(横滚角、纵倾角和航向角)、速度(地坐标下3个方向的速度)、水面GPS位置、AUV运行的深度和高度，以及AUV在水下的位置数据和采集的环境数据(温度、压力)，各个传感器的测量精度和采样间隔如表1所示。

表1 数据存储精度和传感器采样间隔

根据采样间隔、AUV续航时间、数据存储格式可计算出保证数据完整存储所需要的存储空间，计算公式如式(1)所示:

其中，C为系统存储容量，Δti为第i个传感器的采样时间间隔，T为系统续航时间，N为传感器的种类。

在存储时，在保证测量精度的前提下对采集到的数据进行压缩，将相同采样间隔的采集数据进行合并，节省了系统对存储容量的需求。在数据帧中，根据数据存储的标号计算数据帧在Flash芯片中的存储地址实现数据的读写。数据来源的传感器决定了不同的数据类型，在每一帧存储的数据中，还加入了本地时间戳，便于后续分析和处理。Flash芯片中的数据存储格式如表2所示。

表2 Flash中的数据存储格式byte

AUV续航时间为2 h，由表1和表2可知，可计算出系统所需要的最小数据存储量为3.46 MB.由此可知，采用容量为4 MB的串行Flash芯片，即可实现数据的有效存储，节省了数据存储空间。

3.2 数据传输软件设计

采集到的数据需要在水下传感网络中传输，而数据传输主要是通过声学通信机来实现的，声学通信机在没有数据发送时需要进行休眠，以延长系统工作时间，降低系统功耗，因此水下航行器在航行过程中，需要在一定深度下唤醒声学通信机与岸上单元进行通信。

在程序设计过程中，数据传输需要和AUV的运动状态结合起来。由于AUV在水下运动，在AUV的控制机构中，如果出现紧急情况，AUV的电机会自动断电，AUV凭借自身的浮力紧急上浮。在这种情况下，为保护声学通信机的换能器，在低于通信深度的情况下需要让声学通信机进入休眠状态。系统在采集到多组小于设定通信深度的数据时，立即向声学通信机发送休眠命令，结束整个通信过程。

数据在网络中的传输是逐跳进行的，由于水声链路的不稳定性，每一帧数据从一个节点成功传输到另一个节点，都会收到下一个节点发送的ACK，若数据传输不成功，则进行自动选择重传(ARQ)协议［10］。在传输的通信帧中，含有目标地址和源地址，可以判断数据帧的来源和进行路由选择。所设计的同信帧格式如表3所示，其中目的地址和源地址为节点的标号。

表3 通信帧格式byte

由于AUV上携带的传感器主要有两类:环境信息传感器和AUV运动姿态传感器，所以所上传的数据区主要分为两部分，数据区格式如表4所示。

表4 数据区格式byte

3.3 上位机软件设计

采集硬件系统安装在AUV艏部的电子舱内。频繁地拆装AUV可能会导致壳体的损伤，浪费劳动力和时间。在AUV下水之前，需要根据环境对AUV的一些参数进行配置以保证传感器和AUV的工作性能。AUV完成任务后，要将采集到的数据导出，以便后续分析和处理，因此需要设计一个上位机实现以上功能［11-12］。在上位机的过程中，无论命令配置和数据导出，都需要保证通信的正确性，因此需要运用ARQ协议。

3.3.1 命令配置

在命令帧中，可配置的参数和命令主要有Flash擦除命令、通信深度设置参数命令，通信时间参数和采样参数命令。上、下位机通信过程如图5所示。

图5 上下位机的通信过程

对上位机下达的命令，采用回传解析的方式在上位机上显示出来，以判断下达命令的正确性和可执行性。配置正确的命令参数会被保存到Flash芯片的相应扇区。在AUV意外掉电的情况下，系统重新上电后，会从Flash中相应的扇区取出在岸上配置好的命令，继续执行，避免AUV的重复回收和配置。

3.3.2 数据导出

数据导出采用一问一答式的通信模式，上位机发送数据导出命令，下位机接收到数据导出命令后将数据发送给上位机。由于数据存储格式中含有标号，下位机根据上位机导出命令中的标号发送数据，根据下一次命令中的标号判断接收是否正确，并可根据标号进行续传。整个数据导出的通信过程如图6所示。

图6 数据导出通信过程

4 系统测试及环境数据采集结果

为测试系统的稳定性和数据传输性能，在千岛湖湖上试验基地对系统的数据采集功能进行了验证，并进行了数据传输试验。试验环境及节点分布图如图7所示。

图7 千岛湖湖上试验节点分布

千岛湖湖上试验基地附近水深约50 m，考虑到“海豚一号”AUV的航行保护机制(高度保护和深度保护)及航行安全，试验时AUV航行深度设定为5 m(定深精度为±0.5 m)。AUV在水下自主航行，每次以不同的4个GPS点形成的方形转圈航行，航行4圈后回到出发点，整个航行距离约为3 km，每一次试验过程持续约45 min，该试验过程共进行了4次，系统工作稳定。

在试验过程中，系统需要向通信节点传输数据，通信节点如图8所示。采用的调制解调信号为mFSK信号，信号的中心频率为8 kHz，由于节点均锚定在水中，故采用了固定网络路由协议，MAC则采用了MACA协议。

图8 通信节点

4.1 数据采集功能测试

经测试，系统工作稳定，4次任务均采集到了所需数据，根据Flash芯片中记录的时间戳，没有发现数据丢失的现象。最后一次任务采集的数据结果如图9～图12所示。一部分为CTD采集到的环境温度和压强数据，其结果分别如图9(a)和图9(b)所示;另一部分为AUV的运动姿态数据，AUV在各个方向上的运动速度如图10(a)、图10(b)和图10(c)所示，总速度(绝对值)如图10(d)所示，AUV运动的深度和离地高度变化分别如图11(a)和图11(b)所示，AUV运动的航向角、纵倾角和横滚角分别如图12(a)、图12(b)和图12(c)所示。

图9 AUV运动过程中采集到的环境温度和压强

图10 AUV水中运动速度

图11 AUV航行高度和深度

图12 AUV航行运动姿态角

声速是海水介质中的重要参数，对研究水下声通信中声传播有重要影响。由于受到水深的限制，AUV下潜的深度较浅，其维持稳定深度处的盐度基本保持不变，由声速计算式(2)，可以计算出水深5 m处的平均声速约为1 503 m/s。

其中:c为声速度(m/s);T为温度(℃);s为含盐度(‰);Z为深度(m)。

测试结果不仅显示出了实际AUV在水下运动的状态变化，同时显示出了AUV运行路径中环境温度变化和压强变化，并可根据环境信息计算出声通信中的重要参量声速。这种能力对研究AUV控制机构和海洋物理现象［13］(如上升流、温跃层)提供了有力的数据支持。

4.2 数据传输功能测试

在通信功能测试试验中，由于AUV下潜定深任务深度为5 m(定位精度约为±0.5 m)，因此在整个实验过程中，设定准备接入网络的通信深度为3 m，结束通信过程深度为2 m。

根据采集的AUV运动姿态数据，系统采用航位推算［14］计算出AUV航行轨迹，通过将AUV的三维位置与环境数据相对应，与Flash芯片中存储的本地时间戳一起在时间和空间上重构了整个环境数据获取过程。声学通信机被唤醒后，AUV在运行的过程中，每一分钟向岸上通信单元实时上报一组AUV运动姿态信息和环境信息数据。在整个试验过程中，AUV向岸上成功发送44帧数据，岸上单元成功接收43帧，正确接收率达97.72%。系统推算出来的AUV航行位置和岸上单元正确接收并解析的AUV数据上传点如图13所示。

图13AUV在水下的航行轨迹

AUV在运行过程中定期上报环境温度、压力数据和自身的运动状态信息数据，不仅实现了环境的监测，也对AUV水下状态和位置进行实时监控。而且将采集动态位置和环境数据进行融合，也是目前海洋环境观测所需要的。

5 结论

本文结合水下传感网络中水下移动平台AUV的工作特点，设计并实现了一整套的数据采集和传输系统，并对系统功能进行了湖上试验验证。试验结果表明:该系统稳定性好，可实现对AUV平台运动姿态数据的采集和环境数据的动态采集，并将采集到的数据通过声学通信机传输到岸上单元，实现对环境和AUV自身运动状态的长时间监测和记录，对于水下传感网络移动节点的设计具有较高的参考价值。

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杨海波(1988-)，男，硕士研究生，2011年毕业于西北工业大学电子信息工程专业，现就读于浙江大学信息与电子工程学系，主要研究水下传感网络协议及嵌入式系统开发，miliyang1224@gmail.com;

徐元欣(1974-)，男，2003年于浙江大学获得博士学位，现为浙江大学信息与电子工程学系副教授。主要研究方向为通信网络系统、跨层技术、水声通信，xuyx@zju.edu.cn;

徐文(1967-)，2001年于美国麻省理工学院获得博士学位，现为浙江大学信息与电子工程学系教授，主要研究方向为信号与信息处理、水声通信、传感器网络、嵌入式系统，wxu@zju.edu.cn。

水下移动平台数据采集和传输系统设计*

杨海波，徐元欣*，徐文，刘陈展
(浙江大学信息与电子工程学系，杭州310027)

为实现水下环境的实时监测和数据采集，设计并实现了一套应用于水下传感网络的AUV(Autonomous Underwater Vehicle)移动平台数据采集和传输系统。系统采用双MCU机制对采集数据进行分布式处理，利用合理的存储和通信帧格式及ARQ(Automatic Repeat Quest)协议保证数据的有效传输和可靠存储，可对水下环境和AUV内部传感器设备工作状态进行长时间的实时记录和监测。湖上组网试验证明:系统运行稳定，实时性好，满足水下传感网络数据采集和传输及环境监测的要求，对水下传感网络组网技术中的移动节点设计具有较高的参考价值。

水下传感网络;环境监测;AUV;数据采集和传输

TN98

A

1004－1699(2014)03－0361－07

2013-11-12修改日期:2014-03-04

C:7210G;0170C;6270

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.017

项目来源:国家高技术研究发展计划项目(2009AA093601)