מבוא ל- Marine and Underwater IoT Development

האוקיינוס מכסה יותר מ-70% משטח כדור הארץ, אך רבים ממנו נותר ללא נחקר. כמו מתעשיות בחו"ל לביולוגיה ימית לחפש הבנה עמוקה יותר ויכולות תפעוליות, הביקוש לפתרונות משובצים חזקים מתחת לגלים זינק.פיתוח מערכות כאלה הוא שונה באופן בסיסי מ-IoT ארצי: סביבות תת-ימיות מהוות לחץ קיצוני, סלינה קורוזיטיבית, חשיפה נמוכה, וחמורה קשה.

אתגרים מרכזיים ב- Marine and Underwater IoT Development

בניית מכשירים IoT לסביבות ימיות דורשת מעבר למערכת ייחודית של מכשולים פיזיים, חשמליים ולוגיסטיים.הבנת האתגרים הללו היא הצעד הראשון לקראת מערכות הנדסה.

עמידות בלחץ קיצוני

ככל שעולה העומק, הלחץ ההידרטי עולה על ידי בערך אווירת אחת (14.7 psi) כל 10 מטרים. at 1,000 מטרים, הלחץ עולה על 100 אטמוספירות. Embedded אלקטרוניקה, חיישנים, סוללות חייב להיות שוכן בתוך המתחם עמיד בלחץ, בדרך כלל עשוי מבדיקות טיטניום, נירוסטה, או קרמיקה מיוחדת.

קורוזיה ו Biofouling

ים הוא אלקטרוליט מאוד מוליכים אשר מאיץ את קורוזיה גליאנית. מתכת חייב להיות נבחר עבור תאימות - טיטניום מציע עמידות קורוזיה מעולה, בעוד ⁇ אלומיניום דורשים aodization ו ציפוי מגן.עבור פריסות סיליקון עמוק, מפתחים לעתים קרובות להשתמש נירוסטה ברמה ימית (למשל, 316L או 17PH) עם מעבר של מחסנים, cvationdation; LTration-frecerecerelig.

ניהול חשמל ואנרגיה

מכשירים תת-ימיים לעתים נדירות יש גישה לכוח מתמשך.האופניים הם מקור האנרגיה העיקרי, אבל היכולת מוגבלת בגודל, משקל וסובלנות לחץ. Lithium-ion ו-Lithion-thyl chloride כימאים פופולריים בצפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם, אך יש לבחון בקפידה עבור לחץ כבד - כמה תאים יכולים להזיז או קצר תחת לחץ קיצוני.

קישוריות תת-קרקעית ועברות נתונים

גלי רדיו מתרבים במהירות במים; טיפוסי Wi-Fi או Bluetooth טווחים מתחת למים נמדדים בסנטימטרים.עבור מרחקים ארוכים יותר, מפתחים פונים לשכבות פיזיות חלופיות:

  • (FLT:0) תקשורת אקוסטית:FLT:1 מודמים באמצעות גלי קול (בדרך כלל 10-50 kHz) יכול לשדר עד כמה קילומטרים, אבל הגמישות גבוהה (המסעדות ב -1,500 מ"מ) ורוחב הפס הוא נמוך (לעתים קרובות 1-100 kbps) כמו JANUS (סטנדרט של NA) או לנהל גישה מספר רב ושגיאה כפולה הם קדחתניים, או הפרעות, כגון:
  • (FLT:0)Optical (Li-Fi) Communications:03/green לייזר או קישורי LED יכולים להשיג מהירות של מעל עשרות מטרים במים צלולים, אך דורשים היערכות מדויקת וניתוק על ידי זעזועים.
  • <חזק> inductive or Capacitive Coupling: המשמש עבור נתונים לטווח קצר (<10 מ') ולהעביר כוח למטען תת-ימי או תחנות הרציפים.
  • (FLT:0)Cabled (Tethered) Solutions:BuildFLT 1 עבור מתקנים קבועים, ethernet-over-sonar או כבלים אופטיים לספק רוחב פס גבוה וכוח בלתי מוגבל, עלות מורכבות הפריסה.

מערכות היברידיות המשלבות קישורים ארוכי טווח אקוסטיים עם התפרצויות מהירות אופטיות עבור נתונים מעומס הם הופכים נפוצים.לדוגמה, כלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) עשויים להשתמש טלמטרי אקוסטי עבור ניווט ובקרה, ואז לעגון לצומת ים עבור העברת נתונים במהירות גבוהה.

אבטחת מידע ותמפר התנגדות

מכשירים דיגיטליים תת-ימיים פגיעים פיזית ל-tampering, גניבה או בסביבות עוינות (למשל, הגנה או שמן ואמפ; גז) לחבל בהצפנה במנוחה ובמעבר הוא חיוני, אבל חייב להיות אור חישובי כדי לשמר מתגי משקל אור.

אסטרטגיות עיצוב עבור Robust Embedded IoT Solutions

פיתוח מוצלח של IoT ימי לאחר גישה הנדסית ממושמעת שמאזנת עמידות סביבתית, יעילות כוח ואמינות.

בחירת חומרים והנדסת טכנולוגיה

המתחם הוא קו ההגנה הראשון.מלמעלה מ-300 מ', אלומיניום ממומן עם ציפוי אבקה קשיח הוא עלות-תועלת.עבור פריסות עמוקות יותר, טיטניום (Grade 5) או נירוסטה ימי עם אלקטרופולישינג הוא מעדיף חלונות זכוכית עבור חיישנים אופטיים או מצלמות חייב להיות לחץ על ידי חסימת הגנה אטומית (למשל, תת-דלקת משנה, עם חומרים אלקטרו-פולניים) עם מחסנים מרובים (OCR) עם הגנה על מנת למנוע מחסנים LTFrosic יותר LTDvgvgic) עם מחסנים עם LTcross) ו-Fross) עם LTdial יותר LTd) עם LTd) עם חומרים LTcross (מסוגלגן עם LTDvross) עם הגנה LTd) עם LTd) עם LTd) עם הגנה על מנת למנוע LTcross עם LTdial יותר מתאים יותר עם LT ליטרים מרובים מחסנים עם LT ליטרים מרובים מחסנים עם הגנה LTvross (מערכת הגנה LTvross) עם LTCRValross מופעלת (מערכת הגנה מחסנית (מערכת

דלת-Power Hardware ו-Fware Architecture

בחר מיקרובקר עם מצבי שינה מרובים, זמני התעוררות מהירים, ופריפריה משולבת (ADC, RTC, SPI / I2C) כדי למזער ספירת הרכיב. MSP430, S32L4, ו- nRF52 סדרה הם בשימוש נרחב על ידי מערכת ההפעלה ללא שימוש ב- Fvate (מתקני ניהול) או מכונה ממשלתית כדי למנוע משימות מתוחכמות על בסיס לחץ חיצוני (Fgic) או לחץ מיידי (I) הוא מסוגל לשמור על ידי שימוש ב-Fgt) באופן נרחב על ידי שימוש ב-Fgicial (R.

רדיפת וכשל-Safe Mechanism

מערכות קריטיות של המשימה (למשל, מונעי סחף תת-ימיים, ניווט אוטונומי) חייבים להיות מכשירי חשמל מחוסנים, חיישנים ויחידות עיבוד.לדוגמה, מיילדות ים עשויים להיות שני לוחות מעבדים, כל אחד עם בנקים סוללה עצמאית, בדיקת cross-checking אחד את השני בריאותו של Watchrs, גלאי חום-out, ומשגיחים מונעים מנעו מנעו מנעו מנעו מנעו מנעוולים, לעתים קרובות, קודים, חסומים ריקים (כלומר, חסומים) של קודים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, צריכים לאפשר זיהוי CRACK-reic) ל-reic, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים, חסומים

הגנה סביבתית מעבר לשיכון

אפילו עם מחסנים חתומות, טיהור יכול להיווצר בתוך עקב שינויים טמפרטורה. חבילות Desiccant (ג'ל סליקה) וטיהור חנקן לפני החותמת לחות פנימית.עבור חיישנים חשופים למים ים - כגון CTD (פונקציונליות, טמפרטורה, עומק) בדיקות - שימוש בלחמת נחושת או מנגבים חוזרים על מנת להיות כפול עם קיבולת ימית או לחץ דם חוזר על ידי דלקת הלחמה.

פרוטוקול תקשורת ושילוב

מפתחים חייבים לבחור את הקישור התקשורתי העיקרי המבוסס על טווח, רוחב פס וכוח.מצבים אקוסטיים נשארים את העבודה עבור רשת תת-ימית לטווח ארוך.עבור צניפים מקומיים בתוך כמה מטרים, תקשורת אופטית יכולה לספק שיעורי נתונים גבוהים עבור הזרמת וידאו או טיפות נתונים גדולות.אדריכלות משותפת היא גם aFLT:0gate buoyFLT:1 כי tethers או שכבתי על גבי פרוטוקולים מימיים (N) עם תמיכה אלחוטית (N) או מנגנונים אופטיים) עם למערכות יחסים אלחוטיים (NPT) או למערכות אבטחה אלחוטיים).

יישומים של Embedded IoT בסביבה של הנחתים

השילוב של חיישנים, עיבוד מוטבע וקישוריות תת-ימית הופך מגזרים רבים.

מחקר אלגוריתמי ו ניטור סביבתי

רשתות של (FLT:0 lesfloor observatoriesFLT) 1 ו moorings מצוידת בתקני IoT מדד טמפרטורה, סלמון, זרמים, מתמוסס חמצן, pH וכלורופיל על פני אזורים עצומים.האוומבנטוריס האוקיינוס (OI) ומצפה מים רב-תחומיים (EMSO) הם דוגמאות ראשוניות להורדת מעקב אחר כדור הארץ, כגון: 4, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000) ו-Fal, 000, דחוסים, 000, 000, 000, 000 של חומרים מטווח מוקדם יותר מחוספס, 000 של חומרים מחוספס, 000, 000, 000, 000 של חומרים מחוספס, 000 של דחוסים, 000, 000 של מחסומים, 000 של דחוסים, 000 של חומרים מחוספס, 000 של מחסומים חשמליים, ו-מדבקות, 000 של מחסומים חשמליים, 000, 000, 000 מחסומים חשמליים, 000 מחסומים חשמליים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 דחוסים, 000 דחוסים על פני כדור לפני אימון על פני כדור הארץ,

Offshore אנרגיה תשתיות (Oil & Gas, Renewables)

(ב) צינורות צוללות, ראשים והעלאת חומרים דורש מעקב קבוע עבור דליפות, סטיות לחץ, ועייפות מבנית.FLT:0 חיישנים צנרת 1 מותאמים לשימוש צינורות להשתמש חיישנים אקוסטיים מגנטיים כדי לזהות corrosion או חסימת חומרים אלקטרוניים (Fridge) לשימוש ב-IoT מוסמך כדי למדוד , רטטים, וצמיחה ימית מסייע אופטימיזציה של נתונים ו-Edowscremedowdation) כדי לשפר את תנאי מזון (FIX) ל-FIX) ל-FIX (FERA) ל-FIX (FIX) עם יעילות גבוהה.

רכבי תת-קרקעי אוטונומיים ודונים

AUVs כמו Bluefin-21, Slocum gliders, ו קונגsberg HUGIN להשתמש ב-IoT מוטבע עבור ניווט (מצב אקוסטי, מערכות אינפורמטיביות), בקרת משימות ואוסף נתונים. הם יכולים לפעול במשך שבועות חודשים, להתגבר על זיהוי מוטבע מדי פעם על מנת להעביר נתונים באמצעות לוויין.NewerVs להפעיל AI במודולים של התנגשויות בתדר נמוך (למשל, Google, NVID) כדי למנוע זיהוי חוזר של רשתות דינמיקה, באמצעות דינמיקה, שימוש ב-S.

הגנה וביטחון

נבנים מפעילים רשתות חיישן IoT-מחדש עבור FLT:0anti-submarine לוחמת (ASW)FLT:1, הגנה על הנמל, וערכי הנגד שלה. מקיפים של הידרופונים ומגנטים על קרקעית הים לזהות חתימות אקוסטיות של צוללות או כלי רכב.

חקלאות Aquaculture and Fishery Management

חוות דגים משתמשים ב-IoT מתחת למים כדי לפקח על איכות המים (חמצן מסולק, pH), הזנת הפצה וביומסה דגים באמצעות סונר. מערכות הזנה חכמות להפחית את הפסולת וייעלות צמיחה.בדגים פרועים, FLT:0 דגים שניתן להעלותם ב-IoT באמצעות צ'ארטר 1 וקווי דו"ח ארוכים לתפוס את הריבית והעומק באמצעות עקפיפות משטח (מדבקות) עם ציטוטים המכילים חומרים המכילים חומרים המכילים חומרים המכילים חומרים המכילים חומרים המכילים מזון) יכולים להפחית את הנתונים של ה-IoT כמו דולפינים מוגנים כמו דולפינים.

מגמות וחדשנות עתידיים

קצב החדשנות ב-IoT הימי הוא מאיץ, מונע על ידי התקדמות בחומרים, באנרגיה ובאינטליגנציה מלאכותית.

אנרגיה קצירת אנרגיה וכוח Autonomy

חוקרים סוגרים על קצירת אנרגיה מעשית עבור נודים תת-ימיים (FLT:0) המרה של אנרגיה תרמית (OTEC) FLT:1 משתמש הבדל הטמפרטורה בין פני השטח למים עמוקים כדי לכפות גנרטור תרמואלקטרי - שכבר הוכח על ידי קבוצת MBARI. Triboelectric נגנים (TENGs) מתנועת גל מראים תפוקה של מפלסמי מיקרוביאלית במבחנים.

מערכת ההפעלה: תת-קרקעי 5G ו- Photonic Systems

כמה פרויקטים מפתחים רשתות אופטיות תת-קרקעיות תת-קרקעיות באמצעות מערך LED מתוכנן במיוחד ופוטטקטים שיכולים להתאים באופן אלחוטי. משולב עם backhaul אקוסטי, אלה צורה FLT:0underwater Li-Fi חם מישורים מיוחדים (FLT:1 עבור AUV נתונים כבויים במהירות > 10bps.בינתיים, מודמים אקוסטיים מתפתחים עם מדרון והתאמה ל- 100 שלבים קצרים של רשת מים ללא גבולות של כלי רכב מטווח נמוך של רשת ים של האיחוד האירופי.

צוק איתן והחלטות אוטונומיות

כמו הטרנספורמציה ורשתות עצביות מהפכתיות מתכווץ כדי להתאים ל- MCUs (למשל, Arm Ethos-U, MicroNPU), מכשירים תת-ימיים יכולים לרוץ בזמן אמת ניתוק של MCUs (למשל, מגנזיום EV יכול לסווג מין דגים או לזהות דליפת צינורות ללא לחכות להעביר נתונים לחוף.זה מקטין את הגמישות ואת צרכי רוחב הפס.

תאומים דיגיטליים וועדת וירטואלית

סימנס, ווד וחברות הנדסה אחרות יוצרות תאומים דיגיטליים של תשתיות תת-ימיות בשילוב עם להאכיל חיישן IoT. Embedd מכשירים מדווחים על נתונים מסנכרנים עם מודל וירטואלי, המאפשרים תחזוקת חיזוי ובדיקת תרחיש בעתיד הקרוב, מפתחים יהלו:0virtually עמלה FLT:1 תת-ממדת לחץ, טמפרטורה, ותנאי ערוץ אקוסטיים - לפני פריסה פיזית זה כדי להאיץ כישלונות שדה.

מסקנה

פיתוח פתרונות IoT משובצים חזקים עבור יישומים ימיים ומימיים הוא אתגר מורכב אך מתגמל מאוד.זה דורש גישה חוצה תחומית המשלבת הנדסה מכנית, אלקטרוניקה בעוצמה נמוכה, חומרים מתקדמים, ואקוסטיקה תת-ימית.על ידי טיפול בלחץ, קורוזיה, כוח ומגבלות קישוריות באמצעות תכנון מתחשב וטכנולוגיות מתפתחות, מהנדסים יכולים ליצור מערכות שפועלות באופן אמין בסביבה העוינת ביותר על פני כדור הארץ.

לקריאה נוספת על תקני תקשורת אקוסטיים, ראה את ה-FLT:0NATO JANUS StandardFOVAFLT:1 .(לגבי בחירת חומרים עמוקים-ים, FLT:2Materials Performance Journal of EvolutionFLT 3) מציע הדרכה.The FLT:4Ocean Observaries InitiativeFLT:5 מדגים פריסה בקנה מידה גדול של IoT למעקב מדעי.