海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

瞿逢重，來杭亮，劉建章，涂星濱，姜園

（1. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2. 中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510275）

1 引言

海洋觀測(cè)技術(shù)一直以來都是世界各國(guó)研究發(fā)展的重點(diǎn)，它既是數(shù)字海洋的技術(shù)支持體系，也是軍事戰(zhàn)略的重要支撐。世界各國(guó)都在積極發(fā)展現(xiàn)代海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)，從空中、水面、水下3個(gè)維度對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行立體觀測(cè)。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及基于國(guó)家安全方面的考慮，海洋觀測(cè)技術(shù)在我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)、海洋科學(xué)以及軍事中的地位和作用都將愈發(fā)顯著。

常見的海洋觀測(cè)手段包括基于船舶的短期觀測(cè)、浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)[1]、衛(wèi)星遙感[2]以及海底觀測(cè)網(wǎng)等方法。其中，海洋觀測(cè)網(wǎng)具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠在惡劣條件下進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)、能夠提供可靠的電源供給和數(shù)據(jù)傳輸、支持多種類的傳感儀器接入、具備進(jìn)一步擴(kuò)展能力等，使得海洋觀測(cè)網(wǎng)成為海洋觀測(cè)領(lǐng)域主流的觀測(cè)手段[3]。傳統(tǒng)的海洋觀測(cè)網(wǎng)根據(jù)通信方式與布放形式，可以劃分為有纜的海底觀測(cè)網(wǎng)及無纜的水聲觀測(cè)網(wǎng)。單一的有纜海底觀測(cè)網(wǎng)受到復(fù)雜海洋環(huán)境的限制，工程難度大、成本高、維護(hù)難，難以大范圍地推廣；而無纜水聲觀測(cè)網(wǎng)則面臨通信速率低、距離受限、節(jié)點(diǎn)壽命短等問題。因此，在目前的海洋觀測(cè)領(lǐng)域，通過單一形式的有纜或者無纜觀測(cè)網(wǎng)難以滿足我國(guó)海洋信息領(lǐng)域的需求，結(jié)合有纜、無纜優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)低成本投入、多儀器接入、低功耗運(yùn)作、大數(shù)據(jù)挖掘的海洋物聯(lián)網(wǎng)（marine internet of thing），正逐漸成為海洋觀測(cè)技術(shù)的主流研究方向[4]。

海洋物聯(lián)網(wǎng)于21世紀(jì)第2個(gè)10年開始被提出，是一個(gè)集海洋監(jiān)測(cè)、信息傳輸、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果反饋等多種功能于一體的海洋信息綜合網(wǎng)絡(luò)[5]，利用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，將水上及水下各類傳感與監(jiān)測(cè)終端互聯(lián)互通，從而將海洋數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋繁雜數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)化管理[6]。具體來說，海洋物聯(lián)網(wǎng)通過水上或水下傳感設(shè)備采集各類海洋傳感參數(shù)，通過多種通信手段將數(shù)據(jù)發(fā)送至岸基站、數(shù)據(jù)中心或云平臺(tái)，再利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)與定制化的軟件，對(duì)海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理、分析及利用[7]。

隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，作為能在海洋環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位、長(zhǎng)時(shí)間立體觀測(cè)的海洋信息網(wǎng)絡(luò)，海洋物聯(lián)網(wǎng)將在我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)和安全、海洋科學(xué)以及國(guó)防事業(yè)中發(fā)揮極為重要的作用。在海洋經(jīng)濟(jì)和安全方面，海洋物聯(lián)網(wǎng)不僅可為海洋牧場(chǎng)、海洋漁業(yè)等提供生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、為海底管線、核電站周邊海域等提供狀態(tài)信息實(shí)時(shí)追蹤的服務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)海域的可視、可測(cè)、可追蹤，還能夠?qū)κ占臄?shù)據(jù)開展深度融合智能分析，真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境可評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)警[8]。在海洋科學(xué)研究方面，海洋物聯(lián)網(wǎng)具備海洋大數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)和應(yīng)用的功能，進(jìn)而擴(kuò)展人類對(duì)海洋空間認(rèn)知的維度和深度[9]。在國(guó)防事業(yè)中，海洋物聯(lián)網(wǎng)也將凸顯其在海洋軍事情報(bào)的監(jiān)聽與收集、港口及近岸水域的監(jiān)測(cè)、水下偵察與多節(jié)點(diǎn)協(xié)作探測(cè)等方面的技術(shù)先進(jìn)性[10]。

本文將著重介紹海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程與研究現(xiàn)狀，并結(jié)合舟山摘箬山島海洋觀測(cè)網(wǎng)的實(shí)際研究，提出一種具有通用性的海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并介紹一系列海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵儀器，最后對(duì)海洋物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展方向提出展望和思考。

2 海洋觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

海洋物聯(lián)網(wǎng)由傳統(tǒng)海洋有纜和無纜觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展演變而來。在20世紀(jì)中期，美國(guó)就開始對(duì)海底觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，早期的研究成果有美國(guó)羅格斯大學(xué)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期無人環(huán)境監(jiān)測(cè)（long-term ecosystem observatory，LEO）系統(tǒng)[11]、伍茲霍爾研究所設(shè)計(jì)的觀測(cè)（Hawaii-2 observatory，H2O）系統(tǒng)[12]。2006年，由美國(guó)與加拿大聯(lián)合在北太平洋海底建設(shè)的深海長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)（victoria experimental network under the sea，VENUS）建成，其海底部分的核心控制設(shè)備為海洋儀器中控機(jī)（scientific instrument interface module，SIIM）[13]。2009年，加拿大海底觀測(cè)網(wǎng)（northeast pacific timeseries undersea networked experiments，NEPTUNE）完成建設(shè)，擁有800 km的環(huán)形主干纜和5個(gè)海底節(jié)點(diǎn)[14]。除此之外，國(guó)外較為著名的纜海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有：美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的大洋觀測(cè)計(jì)劃（ocean observation initiative，OOI）和美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局的海洋綜合觀測(cè)系統(tǒng)（integrated ocean observing system，IOOS）[15]、日本密集海底地震和海嘯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（development of dense ocean floor network system for earthquakes and tsunamis，DONET）[16]、歐洲海底觀測(cè)網(wǎng)（European seas observatory network，ESONET）[17]等。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技水平的提升，國(guó)內(nèi)不少單位也開展了相關(guān)的工作，如中國(guó)科學(xué)院南海海底觀測(cè)網(wǎng)[18]、同濟(jì)大學(xué)東海海底小衢山試驗(yàn)站[19]等，這些站點(diǎn)為海洋信息的獲取和利用提供了有效的依據(jù)。國(guó)內(nèi)外有纜觀測(cè)網(wǎng)的參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 國(guó)內(nèi)外有纜觀測(cè)網(wǎng)參數(shù)對(duì)比

2014年，由浙江大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的浙江大學(xué)摘箬山島海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Zhejiang University Zhairuoshan experimental research observatory, Z2ERO），在浙江省舟山市摘箬山島建設(shè)完成并投入使用[20]。整套系統(tǒng)由岸基站（shore station）、接駁盒（junction box）、海洋儀器中控機(jī)（SIIM）以及全長(zhǎng)1.5 km的中繼光纜組成，如圖1所示。Z2ERO采用?10 kV高壓直流供電，由接駁盒轉(zhuǎn)壓為375 V后輸入SIIM，再通過SIIM轉(zhuǎn)換為48 V、24 V、12 V等電壓后為觀測(cè)儀器供電。系統(tǒng)配備吉比特光纖通信，可用于高清視頻和海量觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。Z2ERO一共部署了兩套SIIM節(jié)點(diǎn)，連接了2組共計(jì)14個(gè)用于海洋觀測(cè)的傳感儀器。

圖1 浙江大學(xué)摘箬山島海洋立體觀測(cè)示范研究與試驗(yàn)系統(tǒng)（Z2ERO）架構(gòu)

Z2ERO系統(tǒng)于2014年布放。在完成5年穩(wěn)定運(yùn)行之后，于2019年3月打撈上岸，完成預(yù)定工作任務(wù)。

Z2ERO的研制和部署在我國(guó)海洋觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展過程中具有重要的意義，但同時(shí)也暴露出傳統(tǒng)有纜觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的許多問題。首先，Z2ERO是單一的有纜觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，包含兩個(gè)主要觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，覆蓋范圍較為局限。其次，接駁盒與SIIM的布放與回收需要大型的作業(yè)船只和專業(yè)的操作人員，日常維護(hù)極為不便，在布放以及回收工作過程中耗費(fèi)了大量的人力物力。單一的有纜通信模式，以及復(fù)雜的、大型化的海洋觀測(cè)接駁儀器限制了海洋觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展和推廣。小型化、無纜化、智能化的海洋觀測(cè)儀器與平臺(tái)，以及結(jié)合多種通信方式的海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，具有重要的研究意義。

3 新型海洋物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐成果

浙江大學(xué)海洋傳感與網(wǎng)絡(luò)研究所項(xiàng)目組在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以舟山群島海域?yàn)榈湫?，提出了一種新型海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并研發(fā)了一系列的海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備。該海洋物聯(lián)網(wǎng)的通用模型，如圖2所示。

圖2 通用海洋物聯(lián)網(wǎng)模型

該模型分為傳感層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、聚合層和應(yīng)用層。第一層為傳感層，是新型海洋物聯(lián)網(wǎng)的信息源，包括海洋觀測(cè)儀器、傳感器、攝像頭等的數(shù)據(jù)，可為各種海洋應(yīng)用提供有價(jià)值的傳感數(shù)據(jù)和識(shí)別數(shù)據(jù)。第二層為傳輸層，在海洋物聯(lián)網(wǎng)中根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及速率要求選擇不同的通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是終端節(jié)點(diǎn)向上傳輸或接收 信息的手段，包括有線的以太網(wǎng)通信、無線的水聲通信、窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信等。第三層為網(wǎng)絡(luò)層，該層為構(gòu)建高效的海洋物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將傳輸層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至聚合層，以控制海洋物聯(lián)網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)之間或節(jié)點(diǎn)與岸基之間的通信，如水聲通信網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪問控制（medium access control，MAC）等。第四層為聚合層，該層結(jié)合邊緣計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)，以處理海量的水下傳感器和觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)。云服務(wù)器有著強(qiáng)大的計(jì)算能力，能將傳輸層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算并傳輸至應(yīng)用層；邊緣服務(wù)器可進(jìn)行協(xié)同計(jì)算以降低云服務(wù)處理的數(shù)據(jù)量，以更低的時(shí)延向終端發(fā)出更快的決策響應(yīng)。第五層為應(yīng)用層，利用聚合層處理后的海洋數(shù)據(jù)，向用戶提供可視化、智能化的服務(wù)，可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋牧場(chǎng)、軍事應(yīng)用等多種場(chǎng)景[21]。

舟山群島海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示，整體網(wǎng)絡(luò)根據(jù)層次和通信方式可以分為海底有纜觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、水下聲學(xué)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)與水面無線觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。其中，海底有纜觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)坐底式觀測(cè)平臺(tái)組成，平臺(tái)通過光電復(fù)合纜與岸基站相連，由岸基站提供供電和數(shù)據(jù)傳輸支持；水下聲學(xué)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括小型水聲觀測(cè)平臺(tái)與搭載水聲通信機(jī)的各類潛器（如AUV、ROV等），通過水聲通信進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；水面無線觀測(cè)網(wǎng)包括無人船、浮標(biāo)和浮球，通過電磁波進(jìn)行無線通信，通信手段包括窄帶物聯(lián)網(wǎng)（narrowband internet of things，NB-IoT）、LoRa（long range）、4G/5G等。無線電通信將有纜觀測(cè)網(wǎng)與水聲觀測(cè)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至岸基數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。這一架構(gòu)將有纜觀測(cè)、水聲通信和無線電通信技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)海底、水下、水面的多層次立體化觀測(cè)。同時(shí)，小型化的海洋物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)，在維持觀測(cè)節(jié)點(diǎn)性能和續(xù)航時(shí)間的同時(shí)，降低了節(jié)點(diǎn)的成本，使得網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的可伸縮性，易于部署和維護(hù)。

圖3 舟山群島海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

小型化和低功耗是海洋物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)海洋觀測(cè)網(wǎng)的兩大特點(diǎn)，必須在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備上得以體現(xiàn)。本文在原有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研制了一批針對(duì)海洋物聯(lián)網(wǎng)的儀器設(shè)備與試驗(yàn)平臺(tái)，關(guān)鍵儀器包括小型化SIIM、小型化水聲通信機(jī)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)微型浮球，試驗(yàn)平臺(tái)包括適用于有纜觀測(cè)的坐底式觀測(cè)平臺(tái)和適用于無纜觀測(cè)的便攜式水聲釋放平臺(tái)。

（1）小型化SIIM研制

小型化SIIM是海洋觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的核心部件，具備電源管理、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換和自診斷功能。一般來說，傳感器布放位置離岸較遠(yuǎn)，而網(wǎng)線等都不具備遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰?，故采取單模光纖作為通信媒介，以TCP/IP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而傳感器的數(shù)據(jù)接口多為RS232/RS485，為能通過光纖傳輸，SIIM需提供協(xié)議轉(zhuǎn)化模塊，將各協(xié)議轉(zhuǎn)為TCP/IP協(xié)議。同時(shí)SIIM要為傳感器及內(nèi)部的電路供電，而各部件所需的電壓不同，因此需要電源模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)壓。最后，對(duì)于各部分傳感器的供電和通信需要進(jìn)行管理，同時(shí)還要對(duì)SIIM內(nèi)部的溫/濕度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，SIIM整體上包括轉(zhuǎn)壓模塊、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊以及核心控制板。自主研制的小型化SIIM如圖4所示，整體尺寸120 mm×180 mm，重量為8 kg。單個(gè)SIIM對(duì)外提供5個(gè)接口，接口類型包括RS485、RS232、Ethernet，供電電壓包括48 V、24 V、12 V、5 V，單接口支持50 W峰值功耗，可根據(jù)搭載儀器需求調(diào)整SIIM內(nèi)部電源模塊進(jìn)行適應(yīng)性選配?？山尤氲膬x器包括且不限于海底地震儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀、溫鹽深儀、水下攝像頭、水質(zhì)傳感器、水聲通信機(jī)等。小型化后SIIM相比于上一版本的SIIM，在最大限度保留其原有功能的情況下，體積縮小了92.5%，質(zhì)量減小了86.7%。

圖4 小型化海洋儀器中控機(jī)（SIIM）

（2）小型化水聲通信機(jī)研制

由于水下電磁波傳播的局限性，聲波成為了水中遠(yuǎn)距離傳輸更為有效的載體，而水聲通信機(jī)則是實(shí)現(xiàn)水下聲學(xué)通信與組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。自主研發(fā)的小型化水聲通信機(jī)如圖5所示，工作頻段為13～18 kHz，發(fā)射峰值功率為50 W，并具備休眠與喚醒能力。在休眠模式下，整機(jī)功耗小于30 mW。相干通信模式下，可實(shí)現(xiàn)4 kbit/s、2 kbit/s、1 kbit/s自適應(yīng)速率通信，非相干通信模式下可實(shí)現(xiàn)100 kbit/s速率通信，通信距離達(dá)2.4 km，并同時(shí)支持63個(gè)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)通信。該水聲通信機(jī)的技術(shù)指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，能夠適應(yīng)海洋物聯(lián)網(wǎng)多種場(chǎng)景下的應(yīng)用需求。

圖5 小型化水聲通信機(jī)

（3）NB-IoT微型浮球研制

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是一種新興的低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，具備低功耗、廣覆蓋、遠(yuǎn)距離、海量接入的特點(diǎn)，非常適合于河流和近海的數(shù)據(jù)傳輸。基于NB-IoT技術(shù)研制了一系列的微型浮球，如圖6所示。搭載溫度傳感器、姿態(tài)傳感器與定位模塊，可以系于目標(biāo)船體做跟隨運(yùn)動(dòng)，或隨海浪做拉格朗日漂流運(yùn)動(dòng)，并將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至數(shù)據(jù)中心。窄帶物聯(lián)網(wǎng)微型浮球自帶鋰電池，通過低功耗的器件選型、電路設(shè)計(jì)與控制策略，可在海上連續(xù)作業(yè)3個(gè)月以上。

圖6 窄帶物聯(lián)網(wǎng)微型浮球

（4）坐底式觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)研制

坐底式觀測(cè)平臺(tái)是一種有纜的儀器試驗(yàn)平臺(tái)，如圖7所示。平臺(tái)直徑1.5 m，高0.5 m，重50 kg，采用光電復(fù)合纜進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)外提供5種不同類型的儀器艙，可以搭載多種類型海燕觀測(cè)儀器進(jìn)行長(zhǎng)期原位觀測(cè)作業(yè)。目前，平臺(tái)內(nèi)部搭載有SIIM、鹽度傳感器、溶解氧傳感器、水下攝像頭等設(shè)備，于2021年1月布放于舟山摘箬山島北岙海域進(jìn)行實(shí)海況試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集，穩(wěn)定工作至今。

圖7 坐底式觀測(cè)平臺(tái)

（5）便攜式聲學(xué)釋放海洋觀測(cè)平臺(tái)研制

便攜式聲學(xué)釋放海洋觀測(cè)平臺(tái)是一種無纜的儀器試驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。平臺(tái)直徑74 cm，高50 cm，總重30 kg，搭載有SIIM、傳感器、水聲通信機(jī)和聲學(xué)釋放結(jié)構(gòu)。該平臺(tái)具備聲學(xué)釋放回收功能，在完成觀測(cè)任務(wù)后，可通過接收特定聲學(xué)波形信號(hào)，釋放攜帶的浮球，通過浮球攜帶的纜繩對(duì)平臺(tái)進(jìn)行回收，適用于短期海洋觀測(cè)試驗(yàn)作業(yè)。

以上所述的3種海洋物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵儀器與兩種儀器試驗(yàn)平臺(tái)，可以從海底、水下、海面3個(gè)維度進(jìn)行多層次的海洋觀測(cè)，并通過光纜、水聲、無線電等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為海洋物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建提供了更多的接入方式和觀測(cè)手段。

4 海洋物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)與思考

海洋物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)海洋觀測(cè)技術(shù)的演進(jìn)產(chǎn)物，也是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水下環(huán)境的延伸[22]。海洋物聯(lián)網(wǎng)可以增進(jìn)人類對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)，充分利用海洋的潛力，更合理地進(jìn)行海洋環(huán)境治理，促進(jìn)人類與海洋的和諧共處。然而，海洋環(huán)境的復(fù)雜性極大地限制了海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，表現(xiàn)為海洋儀器復(fù)雜且貴重、水下通信手段受限、終端計(jì)算能力受限等，這些問題都亟待攻克和解決。可以預(yù)見，海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將會(huì)有以下4個(gè)趨勢(shì)。

（1）海洋觀測(cè)節(jié)點(diǎn)小型化

輕量級(jí)、小型化、成熟且穩(wěn)定的海洋觀測(cè)設(shè)備是發(fā)展海洋物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，材料科學(xué)的發(fā)展將產(chǎn)生適應(yīng)海洋環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的材料，微電子產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步將進(jìn)一步縮小電路體積，提高儀器性能，海洋設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)的成熟將降低海洋儀器的造價(jià)。在這一趨勢(shì)下，有更多的海洋儀器能夠用于海洋物聯(lián)網(wǎng)，拓寬海洋觀測(cè)和開發(fā)的范圍。

（2）水下通信技術(shù)多樣化

復(fù)雜多變的水聲信道極大地影響了水聲通信的速率、距離和穩(wěn)定性，更多用于克服這一障礙的技術(shù)手段正不斷涌現(xiàn)，如水下MIMO通信技術(shù)、水下多模態(tài)通信技術(shù)等。同時(shí)，水下光通信、電磁通信也可在特定場(chǎng)景下作為聲學(xué)通信的補(bǔ)充，高速率、遠(yuǎn)距離的水下通信技術(shù)將應(yīng)運(yùn)而生。

（3）智能終端與邊緣計(jì)算的發(fā)展

人工智能及邊緣計(jì)算的發(fā)展使得水下終端具備更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，大部分的任務(wù)可以在邊緣側(cè)完成處理，從而降低數(shù)據(jù)的傳輸負(fù)載，提高海洋物聯(lián)網(wǎng)的整體性能。

（4）組網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化

海洋觀測(cè)網(wǎng)中的觀測(cè)節(jié)點(diǎn)種類繁多，通信協(xié)議各異，缺乏統(tǒng)一的接入標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)兼容性的接入和組網(wǎng)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通，使數(shù)據(jù)傳輸在海洋和陸地間暢通無阻。

觀測(cè)設(shè)備微型化是構(gòu)建新型海洋物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是傳統(tǒng)海洋觀測(cè)網(wǎng)向海洋物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變的第一步。在之后的研究工作中，將結(jié)合海洋物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，構(gòu)建具有多樣化通信手段、智能化終端計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)化組網(wǎng)協(xié)議的新型海洋物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

5 結(jié)束語

本文介紹了傳統(tǒng)海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，指出其存在的缺陷，并介紹了舟山群島海域的海洋物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)以及SIIM、水聲通信機(jī)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)微型浮球、坐底式有纜觀測(cè)平臺(tái)、便攜式無纜觀測(cè)平臺(tái)等關(guān)鍵設(shè)備。海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將逐步走向觀測(cè)節(jié)點(diǎn)小型化、通信技術(shù)多樣化、計(jì)算智能化。未來，海洋物聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)一步發(fā)展完善，以小型化、低成本、低功耗、智能化的節(jié)點(diǎn)形成大規(guī)模立體的海洋物聯(lián)網(wǎng)，并最終接入陸地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“空天地?！比f物互聯(lián)的偉大愿景。