关键词：无线网络；水下机器鱼；数据传输；
一、应用背景
随着经济的快速发展，工业化和城市化的不断推进使得污染水源的排放增多，我国人民对水资源的需求逐渐加大。然而一方面我国水资源匮乏，另一方面水质污染严重，水环境状况比较严峻。虽然我国江河、湖泊众多，但多数水质较差。因此，水质检测刻不容缓。
近年来中国的水质检测设备市场快速发展，但多数仍然采用定点检测方式，部分地区仍然执行人工检测，主要依靠人工监测和无人船监测，人工监测需要实地采样，周期很长，还消耗大量人力物力；水质监测船也有一定缺陷，如水面受到严重污染或有大量漂浮物时会使无人船检测受到阻碍。
仿生机器鱼属于水下仿生机器人的一种，具有机动灵活的特性，这种设备为高性能水质监测设备的开发和研制提供了新的思路。仿生机器鱼属于仿生机器人学的范畴，涉及到控制、能源、生物、机电、流体力学、通讯等多种学科。对它的研究不仅可以带动相关学科的发展，同时与鱼类类似的运动特点还决定了其在一些特殊的领域至关重要的作用。相比于其他的普通水下推进器，鱼类的游动具有机动性能好、推进效率高、隐蔽性能好等优点。仿生机器鱼结合了鱼类推进机理和机器人技术，为研制新型的水下航行器提供了一种新思路，一旦将其应用到日常生活中，这种机器鱼将在复杂危险水下环境作业、水下救捞、军事侦察、海洋生物观察、考古等方面发挥重要作用。利用机器鱼搭载水质监测设备可以实现遥控或自主巡视来监测河道水质，实现对人员不方便到达的水域水质的快速监测。
二、问题分析
目前市面上较为先进的机器鱼可以进行水质的实时监测，产品框架采用的是物联网三层结构：以机器鱼为主体、搭载多种传感器的物理感知层，来获取水质监测数据信息；以水声通信为核心技术构建无线传感网（WSN），并依托于WiFi通信的网络层，完成鱼和鱼、鱼和岸基部分的通信；以web接口从机器鱼接收数据到云服务平台，通过手机APP端对鱼的运动进行控制和检测，作为应用层。
在数据传输方面，多数选择的都是使用WiFi将实时监测的数据上传到互联网和云端服务器。然而，在实际运行中，机器鱼能做到的WiFi有效距离仅有5米左右，对于一个大的湖泊、河流来说，距离较短。对于物联网设备的WiFi连接，首先的问题就是功耗增大，耗电快；其次是随着终端接入的个数增多，速率降低、掉线和接入困难的情况也日益严重。另一个就是安全问题，WiFi加密方式为SSID，由于它是一个相对开放式的结构，网关的密码相对来说比较容易被破解，用户需要格外的注意数据的安全性。
除WiFi外，是否可以用蓝牙来进行传输？与WiFi相比，蓝牙的优势主要体现在它的功耗上，WiFi最大的功耗为50mA，而蓝牙最大的功耗为20mA，比WiFi小得多，但它在传输速度与距离上的劣势也较明显，其最大传输速度仅有1Mbps，最远传输距离也只有100m。一旦在水下进行数据传输，蓝牙的传输距离将受到更明显的限制。而且由于机器鱼对水质的检测会产生大量的数据信息，蓝牙的传输速度并不能够我们对大量数据传输的需要。
说到无线网络数据传输，还需要提到的一种方式就是ZigBee。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆ZigBee的前身可以追溯到蓝牙，二者的优势都是低功耗传输，不过蓝牙的原理相对复杂，网络节点个数较少，并不适合多点布控，而且当需要连接的设备超过一定数量时，蓝牙无法在同一局域网内实现彼此的互联互通，并且传输相对较慢，平均耗时需要10s左右。Zigbee在可靠性方面远远胜过蓝牙，它的物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗外界的干扰，MAC应用层（APS部分）设有应答重传功能。当使用ZigBee的网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。这对在环境复杂的水下工作的机器鱼群有着很大的便利。能耗特性是ZigBee的另一个技术优势。一般来说ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低。在不需要使用其进行通信时，节点可以自动进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一，大大降低了它的功耗。一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果，也为机器鱼的续航能力提供了保障。ZigBee大规模的组网能力——每个网络65000个节点更是可以实现鱼群之间的互联，使鱼群之间的信息传递，协同工作更加高效，实现对污染的实时监控。此外，Zigbee还具有很高的安全性，它提供了三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单(Access Con -trol List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，可以灵活确定其安全属性，为大数据传输提供了更好的安全服务。
当然，Zigbee也存在着一些问题——更加适用于数据传输速率低的设备。ZigBee的传输速率在2.4GHz的频段只能达到250Kb/S，去掉信道竞争应答和重传等的消耗，真正能被设备所利用的速率可能不足100Kb/s。这也就意味着如果采用ZigBee，在传输数据的过程中，传输速率或许成为我们要解决的难题。
而5G作为新兴起的无线传输方式，具有成效突出的新型多载波技术、新的波形设计技术、大规模MIMO技术、全双工技术以及编码调制技术等超高效能的无线传输关键技术。除此之外，在无线网络技术方面, 软件定义无线网络、超密集异构小区部署以及统一的自组织网络等将被5G作为更加高效和灵活的组网技术和网络架构所使用。此外，5G相较于4G在传输速率、峰值速率、频谱效率、设备连接密度和流量密度等方面得到了极大的提升, 降低了端到端的时延——达到了ms级, 不仅保证了用户在高速移动时能够正常通信, 同时在很大程度上降低了能量消耗。
结论
在复杂的应用环境中，多汇聚节点无线传感网络具有更强的适应性，尽管传输速率相较于其他几种方式较慢，但ZigBee技术具有低功耗、低成本的特点，更加适合大规模的应用和长时间持续通信，在所有的数据传输方法中，无疑是最具有潜力的一种。5G虽然具有更好的性能和更大的发展空间，但并未大量应用到实际的生产生活中，或许在未来它可以应用到水质检测机器鱼中，真正实现对于大数据的精准实时传输。
随着无线网络的快速发展，相信未来会有更多的方法来解决水下数据传输的问题，做到对水资源污染的实时监测，也希望有更多的技术人员投入到水质检测行业，为保护生态环境贡献出自己的一份力量。
参考文献：
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[4].史作锋.ZigBee技术在无线传感器网络中的研究与应用[D].武汉:武汉科技大学.2009.
论文作者:吴欣雨
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第19期
论文发表时间:2020/3/16
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