郭莹｜美Spotter浮标推动“海洋物联网”建设

美国DARPA于2017年首次公布“海洋物联网”项目，设想利用海上大面积高密度部署的小型、低成本的商业传感器自主采集海面温度、海况、位置等信息以及船只、飞机等活动数据，并与云计算、大数据等高新技术相结合，通过卫星将数据传输到网络进行实时分析，实现持续的态势感知，构建实时侦察监视网络。

美国远洋科技公司作为美国“海洋物联网”项目的承包商之一，一直在美国能源部项目（DE-AR000051）和美国海军研究办公室项目（N00014-16-1-2856）的联合资助下开展海洋浮标的研制工作。该公司研制的Spotter海洋浮标测量数据，曾作为2021年DARPA主持的“湍流预测浮标”（Forecasting Floats in Turbulence，FFT）挑战赛的评判基准数据。

图1 Spotter海洋浮标

1、专利检索情况

该公司在2017年，申请了外观设计专利“船用传感器平台”（USD0859197S），描述了该海洋浮标的外部框架设计；美国临时专利US62474422P0，论述了海洋波浪和洋流运动的测量方法。2018年和2019年先后基于该临时专利优先权，申请专利“实时海洋传感器阵列”（US10488554B2和US20200209429A1），详细公开了Spotter海洋浮标的结构与功能、数据采集方法与系统、数据处理方法与系统（如图2所示）。

图2 专利附图中的海洋浮标示意图

2、总体结构与功能

Spotter海洋浮标，重7.45kg、最大直径为43cm、高31cm，整体构型如上图所示，是一个具有中心空腔的壳体，壳体上半部具有多个倾斜面（上图为5个，还可以设计为3个、8个等），每个倾斜面布置一个可拆卸太阳能电池板，中心空腔内布置一个密封的电子舱用来安放控制电路、探测设备和通信设备等有效负载。

海洋浮标使用时，将探测到的声学信息、环境信息、运动信息等，经过实时处理后，通过卫星通信和铱星通信超远距离传输给陆上接收基站。

3、有效负载

密封电子舱采用模块化设计，根据使用需要配置不同功能的电子舱。需要时直接整体更换电子舱，方便快捷。

电子舱内可以安装的有效负载包括数码相机、运动传感器、声学传感器（如水听器）、电导率传感器、温度传感器、盐度传感器、全球定位系统(GPS)接收器、卫星通信模块等。另外，还可以根据使用需要增加或更换通信模块，如射频(RF)天线、GSM/GPRS（通用分组无线服务）蜂窝调制解调器、蓝牙无线技术和/或WiFi等。

4、数据处理

密封电子舱内安装的各种有效负载，探测采集各类数据（包括温度、湿度、地理位置、声学信号、系统状态、太阳能强度等）后，首先被编码并存储在传感器单元的临时存储器中，然后综合统计数据由卫星调制解调器传送到一个或多个云端服务器，解析后存储在系统的后端数据库中。另外，存储在传感器单元上的数据也可以由用户检索并手动上传至云端服务器，并在云端进行加密、解析后，存储到后端数据库中。

另外，Spotter海洋浮标阵列还可以通过人工智能和机器学习算法，进行基于声学的风速估计与基于波动的风速估计，甚至是往来船只识别等。

综上，Spotter海洋浮标，成本低、耐腐蚀、结构简单紧凑、用户界面简单；在强海流漂移中，仍可保持极好的测量精度，且可进行实时的信息传送与位置更新；不需要专用的存储、搭载或部署配件，即可实现多种平台的存储、搭载和快速部署；可在预定海域内批量部署形成自由漂移阵列和高密度海洋监测网络；多个高性能太阳能电池板和锂离子电池（11200mAh），可在不需要维护的情况下实现连续部署，运行成本低。

（蓝海星：郭莹）