水下分布式数据采集系统通信方式研究

摘 要：水下分布式数据采集系统在海洋勘探中具有极为重要的作用，有线通信是目前水下分布式数据采集系统的主要通信方式。文章分析了目前水下无线通信方式的局限性，介绍了多种有线通信方式并进行比较，以期为水下分布式数据采集系统的通信方式提供多种参考方案。

关键词：水下分布式数据采集系统;水下通信;现场总线

作者简介：朱辉庆（1981— ），男，江西临川人，工程师，硕士;研究方向：水声工程。

分布式数据采集系统起源于20世纪80年代，是一种由多个相互独立的设备在现场完成传感器信号的采集，由通信网络将数据传输至上位机进行处理的系统。与集中式数据采集系统相对应，分布式数据采集系统具有适应能力强、可靠性高、实时响应性好等特点，被广泛运用于监测工程中应对传感器数量大、分布范围广的场景，如海洋勘探、水下预警等领域。在分布式数据采集系统中，通信网络是系统最为关键的组成部分。随着计算机网络通信技术的快速发展，高速率、高带宽、低延时的传输方式不断涌现，为分布式数据采集系统的发展提供了有力的技术支撑。

1 水下分布式数据采集系统介绍

水下分布式数据采集系统是分布式数据采集系统在水下的应用，常见的应用场景包括水下预警、水下探测声呐、海底环境监测系统等。这些系统采集的对象均为水声信号，为了提高检测能力和检测范围，通常由几十个甚至上百个分布式节点组成，数据带宽较高，传输距离较长。此外，由于在海洋环境中使用，对系统的体积、功耗、材料、工艺等方面都具有一定的要求。通常选用的分布式节点均为小体积、非空腔结构，以适应深海高压下的环境;成型的阵段柔韧性好，防止在收放、拖拉的过程中出现断裂。因此，研制水下分布式数据采集系统不仅需要考虑功能的实现，还需要考虑复杂应用环境下系统使用的可靠性和稳定性。

2 水下分布式数据采集系统通信方式研究

水下分布式数据采集系统的通信方式主要分为无线通信和有线通信。

无线通信的方式，大致分为水下电磁波通信、水声通信以及水下激光通信3种。由于海洋环境的影响，无线通信存在信号衰减严重、数据传输带宽低、通信稳定性不佳等诸多问题[1]。

水下无线通信方式存在瓶颈，无法进一步提升水下分布式数据采集系统的性能。水下有线通信仅受到传输线缆的影响，只需要调整材料以及制造工艺，就可以达到和陆上传输相同的效果。因此，水下有线通信是目前水下分布式数据采集系统的常用传输方式。

常见的水下分布式数据采集系统主要包括：水听器、分布式数据采集节点、信号汇聚处理单元等。水听器和分布式数据采集节点之间数据带宽较小，主要为一对多的通信方式;分布式数据采集节点之间以及和信号汇聚处理单元之间数据带宽大、传输距离远，往往通过阵段连接器相连，需要适合的有线通信方式进行传输。

3 水下有线通信方式对比

水下有线通信方式和陆上有线通信方式大致相同，但是考虑到水下环境中的特殊应用场景，需要选择高带宽、远距离、工艺精简的传输方式。

现场总线是解决水下分布式数据采集系统底层通信网络的重要关键技术，以数字通信方式代替了传统的模拟信号通信，实现了全数字化的通信，同时还具备开放性、互用性、分布性、适应性等多种优势。现场总线根据传输距离、传输带宽等需求定义了多种适合用户的协议规范。数据带宽较高的高速串行传输方式包括Ethernet，IEEE 1394，SDI，LVDS等，其特性对比如表1所示。

以太网传输是当今现有局域网最通用的通信协议标准，现有的以太网传输速率有10 Mbps，100 Mbps，1 000 Mbps，10 Gbps甚至100 Gbps，其优点包括技术成熟、成本较低、互操作性强、易于使用和管理、可扩充性强等。由于在传输介质方面，百兆以太网收发需要4根双绞线;千兆以太网需要8根双绞线，线数繁多，且其中任何一根损坏便无法保证传输带宽;10 Gbps以上带宽采用光纤传输，总体而言工艺较为复杂;IEEE 1394是用于高速外围设备的连接系统，最新版本的IEEE 1394800最高带宽能到800 Mbps，最少需要4根线，但其传输距离在双绞线上仅为4.5 m，采用光纤才能达到100 m传输距离，材料容易折损;SDI接口是串行数字接口，可分为HD-SDI和3G-SDI，对应速率分别是1.485 Gb/s和2.97 Gb/s，其缺点是采用的传输线缆为同轴电缆，如要达到100 m传输距离，需要选用直径6 mm以上的同轴电缆;高速LVDS串行总线采用LVDS电平，可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等特点，其传输介质可以是铜质的PCB连线，也可以是平衡电缆。采用自定义协议的LVDS网络技术可以达到几百Mbps以上的传输速率，同时配合驱动均衡技术，传输距离能够达到百米以上。总体而言，以太网传输是目前水下分布式数据采集系统主要的高带宽通信方式，而LVDS等传输方式则是今后系统更高带宽、更小型化发展的主要趋势。

传输距离较远，支持一对多点传输，同时具备一定的传输带宽，可选用控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线、PROFIBUS，SERCOS，RS-485等常用的现场总线，其特征对比如表2所示。

CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，在汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网中广泛应用[2]，可以支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，节点之间无主从之分，通信实时性更强。可以采用双绞线、同轴线或者光纤进行传输。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准[3]，传输速率为9.6～12 Mbps，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化等领域。其底层传输技术为RS-485传输，可采用双绞线、光纤等传输方式。SERCOS是一种用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议，是目前用于数字伺服和传动系统数据通信的唯一国际标准，在各种数控机械设备中广泛应用[4]。SERCOS接口由一个主站和1～254个从站组成，传输速率为2～16 Mbps，采用玻璃光纤可以达到240 m传输距离。高速RS-485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的電气特性标准，有两线制和四线制接线方法。两线制接线方式支持一对多通信，是目前工业网络最流行的一种布线方式，实施简单方便，性价比高;采用自定义协议的高速RS-485接口，可以提高设计的灵活性;采用一主多从网络结构，最高可挂载96个节点，能够在60 m双绞线上达到12.5 Mbps传输速率。对于带宽要求不是特别高的应用场景下，RS-485接口具备的长距离、可扩展的通信方式可能是最佳的选择。

4 結语

对于现阶段而言，有线通信是水下分布式数据采集系统最佳的通信方式，系统也向着小型化、低功耗的方向发展，有更多陆上传输的方式可能被应用于水下通信。随着科技的发展，例如量子通信的出现，很有可能改变目前的局面，使高带宽、远距离的水下无线通信也成为可能。

[参考文献]

[1]梁涓.水下无线通信技术的现状与发展[J].中国新通信，2009（23）：69-73.

[2]薛敏.基于CAN总线的分布式测控系统的设计与研究[D].武汉：武汉理工大学，2005.

[3]谭兆路.PROFIBUS-DP从站通信控制器的设计与实现[D].沈阳：中国科学院沈阳自动化研究所，2009.

[4]刘艳强，郇极.固化协议SERCOS通讯卡研究和开发[J].微计算机信息，2004（3）：79-80.

Research on communication mode of underwater distributed data acquisition system

Zhu Huiqing

（The Navy Deputation in Residence of Hangzhou， Hangzhou 310012， China）

Abstract：Underwater distributed data acquisition system plays a very important role in marine exploration， at present， cable communication is the main communication mode of underwater distributed data acquisition system. This paper analyzes the limitations of the current underwater wireless communication model， puts forward a variety of wired communication modes and compares them， in order to provide a variety of reference schemes for the communication model of underwater distributed data acquisition system.

Key words：underwater distributed data acquisition system; underwater communication; field bus