海洋觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )化智能接口標準的研究

摘要：網(wǎng)絡(luò )化智能接口標準對于海洋觀(guān)測系統的集成、海洋信息的實(shí)時(shí)獲取和共享等具有非常重要的作用。介紹了IEEE 1451、OGC SWE和PUCK協(xié)議等三種國際海洋組織正在推廣的接口標準，概括了它們的體系結構、重要內容及其發(fā)展狀況，并對這三種標準協(xié)議進(jìn)行分析和比較，最后提出了它們應用在海洋觀(guān)測系統中的各自?xún)?yōu)勢和側重點(diǎn)，以及這三種標準存在的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：海洋觀(guān)測系統；互操作性；IEEE 1451；OGC SWE；PUCK協(xié)議

海洋觀(guān)測技術(shù)作為認識海洋、開(kāi)發(fā)海洋的高技術(shù)手段，是建設海洋強國、捍衛國家安全和實(shí)現可持續發(fā)展的偉大目標所必不可少的。在海洋觀(guān)測領(lǐng)域，為了滿(mǎn)足目前海洋研究、開(kāi)發(fā)和利用對于空間性和實(shí)時(shí)性的強烈需求，構建能夠綜合、協(xié)調、實(shí)時(shí)、持續地獲取各種海洋物理參數的海洋觀(guān)測系統是必然的發(fā)展趨勢。
為了實(shí)現海洋環(huán)境信息的大規模、實(shí)時(shí)地獲取與控制，海洋觀(guān)測系統需要對底層儀器(包括傳感器或執行器)組網(wǎng)進(jìn)行各種參數的獲取。
網(wǎng)絡(luò )化的觀(guān)測方式，更注重系統性和整體性，通過(guò)性能可靠和實(shí)時(shí)連接的所有觀(guān)測平臺、探測設備、傳感器協(xié)同觀(guān)測，實(shí)現海洋環(huán)境信息共享與交互。但是目前儀器的軟件協(xié)議和數據格式大多是非標準的而且并不統一，這就給系統構建、擴展、更新和維護等帶來(lái)很多不便。一方面，對于海洋觀(guān)測系統的組建來(lái)說(shuō)，各種協(xié)議的不兼容直接導致現場(chǎng)布線(xiàn)復雜，容易導致混亂并出錯，大大增加了工程任務(wù)量；另一方面，對于系統的維護來(lái)說(shuō)，更換系統中的海洋儀器時(shí)，幾乎都需要技術(shù)人員進(jìn)行手動(dòng)安裝和配置，而海上工作環(huán)境比較惡劣，這就增加了人為出錯的可能性。
國際上的一些研究機構在上個(gè)世紀九十年代就開(kāi)始研究解決這些問(wèn)題。這些機構致力于發(fā)展能夠應用于海洋觀(guān)測系統中的底層儀器接口和網(wǎng)絡(luò )應用層接口的技術(shù)標準，通過(guò)實(shí)現海洋儀器的互操作性，以最小的人力和高可靠性進(jìn)行系統的構建和維護。

1 IEEE 1451
美國國家標準技術(shù)研究所(NIST)和IEEE儀器與測量協(xié)會(huì )傳感技術(shù)委員會(huì )聯(lián)合從1997年開(kāi)始推出IEEE 1451系列智能變送器接口標準(Stan dard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators)，很好地解決了不同廠(chǎng)商之間傳感器的互換性和互操作性問(wèn)題，便于系統的構建與維護，因此成為當前信息化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化海洋觀(guān)測領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。
制定IEEE 1451標準的目的是開(kāi)發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器連接到網(wǎng)絡(luò )或者用以支持現有的各種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，包括各種現場(chǎng)總線(xiàn)及Internet／Intranet。此標準通過(guò)定義一整套通用的通信接口，使變送器在現場(chǎng)采用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接，大大簡(jiǎn)化由變送器構成的各種網(wǎng)絡(luò )控制系統，解決不同網(wǎng)絡(luò )之間的兼容性問(wèn)題，做到變送器的“即插即用”，并能夠最終實(shí)現各個(gè)廠(chǎng)家產(chǎn)品的互換性與互操作性。
目前國際標準組織ISO和IEC已經(jīng)接受了IEEE 1451系列標準，將其納入了ISO／IEC／IEEE 2145X標準體系。
1．1 IEEE 1451標準系統模型
IEEE 1451標準中的網(wǎng)絡(luò )化智能接口主要分為兩個(gè)功能模塊，如圖1所示。

一個(gè)模塊是網(wǎng)絡(luò )應用處理器(Network Capable Applicationprocessor：NCAP)，它主要負責網(wǎng)絡(luò )通信、STIM通信、數據轉換等功能。NC AP是標準傳感器總線(xiàn)與專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)之間的接口，提供網(wǎng)絡(luò )連接或者網(wǎng)關(guān)的功能。這一部分與微處理器集成到一起，在網(wǎng)絡(luò )化傳感器中起控制的作用；
另一個(gè)模塊是智能變送器模塊(Smart Transducer Interface Module；STIM or TIM)，它包括傳感器或執行器、信號調理器、AD或DA轉換器、物理接口以及一系列變送器電子數據表格(TEDS)。該模塊能夠支持單個(gè)或多個(gè)通道。它既可與傳感器相連也可與執行器相連接。每一個(gè)STIM最多可與255個(gè)變送器通道相連接。每一個(gè)通道實(shí)際上就是STIM上的一個(gè)變送器單元。
NCAP與網(wǎng)絡(luò )連接有3種方式：1)IEEE 1451．0超文本傳送協(xié)議(HTTP)；2)IEEE 1451．1標準；3)智能變送器網(wǎng)絡(luò )服務(wù)(STWS)。NCAP與TIM之間的接口被定義為IEEE1451．X物理接口規范，根據不同的應用需求選擇不同的子標準接口規范。
1．2 IEEE 1451協(xié)議棧結構
IEEE 1451標準經(jīng)過(guò)多年的制定與修改，目前形成了8個(gè)子標準，分為面向軟件的接口與面向硬件的接口兩大部分。
軟件部分主要由IEEE 1451．0和IEEE 1451．1組成，通過(guò)面向對象模型的概念描述了網(wǎng)絡(luò )化智能變送器的行為，定義了適應于接入不同測控網(wǎng)絡(luò )的智能變送器軟件接口規范；同時(shí)定義了一個(gè)通用的功能、通信協(xié)議和電子數據表格，可以加強IEEE 1451族系列標準之間的互操作性。
硬件部分由IEEE 1451．2～IEEE 1451．7組成，主要針對智能變送器不同的應用背景與目的，包括點(diǎn)對點(diǎn)(RS-232、UART、SPI等)、多點(diǎn)分布式、混合模式、無(wú)線(xiàn)(WiFi，Bluetooth，ZigBee等)、CANopen和RFID通信。