Мы сделали самый маленький в мире гидроакустический модем
Приветствую тебя, наш дорогой хаброчитатель!
«Так уменьшились Духи, и чертог
Вмещает неисчетные рои
Просторно.»
© Джон Мильтон, Потерянный Рай
Адепты темного кагала подводной связи и навигации денно и нощно трудятся над внесением этой самой подводной связи и навигации в массы, и сегодня один из них, как и обещал, доложит о проделанной работе и достигнутых успехах.
Итак, мне кажется на этот раз мы достигли физического предела и скорее всего нельзя сделать устройство для передачи цифровых данных звуком через воду на дистанцию 1000 метров сколь-нибудь заметно меньше.
Кого взволновала тема — вперед, к гидроакустическому изобилию, под кат!
Традиционно осознавая, что тема гидроакустической связи и связанных с ней проблем знакома далеко не всем, предлагаю набор наших (и не только)
предыдущих статей
Кратко упомяну, что у нас тут 95% океана остается неисследованным, и сложность не только в том, что мы уже не можем жить под водой, но и в том, что под водой не распространяются радиоволны (сколь либо адекватной частоты), и соответственно все, что возможно на земле и в небе при помощи радиосвязи становится практически невозможным даже под тонким слоем воды, и да, там еще в основном темно и мутно.
Человечество пытается выкручиваться, и сегодня единственной более-менее широко распространенной альтернативой радиосвязи под водой является акустика, точнее гидроакустика. При помощи звуковых волн, которые к слову сказать, распространяются в воде в пять раз быстрее чем в воздухе:
А еще просто передают цифровые данные, при этом, зачастую в наше время хорошим тоном является совмещение передачи данных с навигацией.
Устройства, при помощи которых цифровые данные передаются через воду называется (как ни странно) гидроакустическим модемом.
Передавать данные звуком через воду сложно, но можно
Чтобы понять почему это сложно, представь себе, что ты смотришь сквозь журчащий ручей на лежащую на дне газету и пытаешься ее прочитать. Все что тебе удается разобрать через бегущую рябь и блики — заголовок. Сильно напрягая глаза, возможно, у тебя получится примерно разобрать (даже, скорее догадаться), текст подзаголовков, понять же что написано в колонках получится при большом везении, когда рябь на мгновение разглаживается и между глазом и текстом остается тонкий слой ламинарно текущей воды.
Звук в воде распространяется нелинейно, претерпевая изгибы (рефракция), отражения, сложения и вычитания отраженных копий сигнала (реверберация и многолучевое распространение), доплеровское смещение, а также растяжение и сжатие спектра.
Следуя нашей аналогии, чем крупнее заголовок — тем проще его прочитать, то есть чем меньше скорость передачи — тем надежнее связь в общем случае, «догадаться» что написано в более мелком тексте можно сравнить с помехоустойчивым кодированием (на это надо время и дополнительная информация), а прочитать совсем мелкий текст можно только в хороших условиях.
Близкие к радиосвязи люди справедливо заметят, что все перечисленные трудности присущи в той или иной степени и радиоканалу, однако же основные отличия состоят в том, что в гидроакустике для передачи данных нам доступна полоса где-то от 5 до 100 кГц с очень большой натяжкой (в реальности заметно меньше), и контрольный в голову: если (плюс-минус) передать данные в полосе 5–15 кГц сильно потрудившись получится на 10–20 км, то уже в полосе 80–100 кГц достичь дальности в 1 км возможно при изрядной доли везения, что связано с сильной неравномерностью затухания звуковых волн разных частот.
Ну и да, скорость звука немного меньше скорости света — всего-то в 200 000 раз.
Для иллюстрации возможностей современных гидроакустических модемов приведу здесь табличку из диссертации (страница 54 по PDF) Bridget Benson, очень популярную у тщетно пытающихся сделать гидроакустический модем «на коленке». Табличка несколько устарела, ибо указанная работа датируется 2010 годом, и, к сожалению, я не могу ее исправить на основании слухов, поэтому привожу в неизменном виде:
| Производитель | Модем | Полоса, кГц | Потребляемая мощность (передача), Вт | Дальность, км |
|---|---|---|---|---|
| Aquatec | AQUAModem | 8–16 | 20 | 10 |
| DSPComm | AquaComm | 16–30 | varied | 3 |
| TriTech | MicronModem | 20–24 | 7.92 | 0.5 |
| WHOI | MicroModem | 25 | 50 | 1–10 |
| Benthos | ATM885 | 16–21 | 28–84 | 2–6 |
| EvoLogics | S2CM48/78 | 48–78 | 2.5–80 | 1 |
| LinkQuest | UWM2000H | NS | 1.5 | 0.8 |
| UCSD | UCSDModem | 40 | 1.3–7.0 | 0.4 |
| Производитель | Модем | Потребляемая мощность (прием), Вт | Модуляция | Скорость передачи, бит/с | Цена, $ |
|---|---|---|---|---|---|
| Aquatec | AQUAModem | 0.6 | DSSS | 300–2000 | 7600 |
| DSPComm | AquaComm | varied | DSSS/OFDM | 480 | 6600 |
| TriTech | MicronModem | 0.72 | DSSS | 40 | 3500 |
| WHOI | MicroModem | 0.23/2 | FSK/PSK | 80/5400 | 8100–9400 |
| Benthos | ATM885 | 0.7 | FSK/PSK | 140–15360 | 7200–11000 |
| EvoLogics | S2CM48/78 | 0.5 | S2C | 15000 | 12500 |
| LinkQuest | UWM2000H | NS | Proprietary | 9600 | 7000 |
| UCSD | UCSDModem | 0.42 | FSK | 200 | 350* |
* Component cost estimate only
Что изменилось с 2010 года? Benthos был куплен Teledyne, Aquatec больше не делает акутичесские модема (делает теперь только оптически на дистанцию 1 метр), а модемы EvoLogics по дошедшим до меня слухам значительно подешевели. Но самое глобальное изменение с моей точки зрения произошло совсем недавно: гидроакустические модемы появились на alibab-e. По цене порядка $1000-$2000 за штуку. В китае есть технология, и скорее всего она перешла в разряд гражданских. Господа из таблички принимают в свои ряды новых членов.
Но пока медленные китайские производители только-только выпустили устройства по цене $1000-$2000 за штуку, опытные DSPComm с модемами от $6600 уже давно написали на своем сайте что их цель — модемы дешевле $1000.
Люди стараются сделать дешевый гидроакустический модем
И ключевое слово тут «дешевый» — достаточно просто забить в гугле «Low cost underwater acoustic modem». Если отбросить ворох дипломных работ, подозрительно близко повторяющих диссертацию Б. Бенсон, то все равно останется достаточное количество интересных проектов. Интересное на мой взгляд обобщение сделали испанские товарищи. Во многом очень честное, без особых попыток что-то приукрасить.
Но вернемся к теме статьи
Упомянутые китайские продукты пугают своей основательностью: Ф120×600, вес 12 кг, 40 Ватт передатчика толкают данные со скоростями от 140 до 1200 бит/с на расстояние до 20 километров. Что касаемо скорости передачи — рекомендую всегда смотреть на нижнюю границу диапазона.
Самый маленький (и самый дешевый) модем из тех, что представлены в табличке — MicronModem от английской spin-off компании университета New Castle имеет размеры Ф56×79 мм, сухой вес 235 грамм и по заявлениям производителя может передавать пользовательские данные со скоростью 40 бит/с на расстояние до 500 метров.
Неплохо, но 2016 году мы выпустили наш RedLINE, который при размерах Ф64×62 мм и сухом весе 360 грамм может передавать цифровые данные со скоростью 80 бит/с на расстояние до 8000 метров, при этом стоя значительно дешевле конкурента, да еще обладающий функцией ретрансляции. Во многом так плотно упаковать «духов в чертог» получилось благодаря стараниям StDmitriev, и немного моим. Наша идея затем оформилась в целый патент.
Забегая назад
Зададимся вопросом, а из чего вообще состоит модем? Как правило из приемопередающей антенны, выполняемой из одного или нескольких пьезокерамических колец, усилителя мощности, предусилителя и фильтров, а также какого-нибудь цифрового сигнального процессора. Вроде бы не rocket science? Но ведь и в ракете стоимость всех материалов и агрегатов составляет лишь менее 10% от стоимости самой ракеты.
Пока технология не обрела статус массовой — она остается недешевой.
А мы хотим чтобы купить гидроакустический модем было не сложнее чем купить Arduino, GPS- или радиомодуль.
Что мы делаем для этого? Продолжая эксплуатировать наш патент StDmitriev на этот раз «затолкал духов» в чертог еще меньшего размера, а я соответственно запилил новую прошивку, которая смогла бы в полной мере использовать получившееся рекордное железо.
Знакомтесь, это uWAVE — самый маленький и дешевый в мире гидроакустический модем
Теперь духи теснятся в цилиндре размером Ф40×45 миллиметров, вес которого не превышает 160 грамм. Шипение духов позволяет передать данные со скоростью 78 бит/с на дистанцию до 1000 метров. А сам модем можно питать даже от USB.
На следующих фото сравнение размеров RedLINE (желтый) и uWAVE (красный): 
Но и это еще не все: модем поддерживает не только передачу по т.н. прозрачному каналу с кодовым разделением абонентов, но и командный режим, в котором можно удаленно запрашивать глубину, температуру (на борту есть встроенный датчик) и напряжение питания удаленного абонента с измерением времени распространения сигнала. А для задач телеуправления предусмотрено 9 кодовых пользовательских команд.
Но даже это не главное, а главное то, что нам удалось побить собственный же ценовой рекорд и розничная цена на модем uWAVE составляет $480. Это в 6 (ШЕСТЬ, КАРЛ!) раз дешевле ближайшего английского аналога, при в два раза большей дальности, и в два раза меньших размерах. Мы аккуратно надеемся, что при увеличении объемов производства цена может быть снижена еще.
Как видно, мы уложились в ожидания 7.6% проголосовавших в предыдущей статье, а этот ценовой диапазон занимает второе место по голосованию после пока недостижимого $100-$200.
Если кто-то сможет сейчас меньше и дешевле при таких же характеристиках — даю слово: тут же ухожу из профессии!
Когда я говорил о том, что мы достигли дна физического предела по размерам, имелось в виду то, что даже если и удастся уместить всю электронику в меньшем объеме, размер применяемого кольца не позволит эффективно работать в данной полосе частот, и по энергетике не получится достичь указанных характеристик. Чем меньше пьезоэлемент, тем хуже он излучает низкие частоты, чем выше частоты, тем меньше дистанция связи. Такие дела.
А зачем все это надо?
«Разве миллиарды безвестных костяков в безвестных могилах не взывали к нам, не требовали и не укоряли? Мне видятся миллиарды прошедших человеческих жизней, у которых, как песок между пальцев, мгновенно утекла молодость, красота и радости жизни, — они требуют раскрыть великую загадку времени, вступить в борьбу с ним! Победа над пространством и есть победа над временем — вот почему я уверен в своей правоте и в величии задуманного дела!» © И. Ефремов, Туманность Андромеды
«Во-первых, это просто красиво…» ©
Если серьезно, то в последнее время особенно востребована тема связи со стаей автономных аппаратов, подводного интернета вещей, и прочих невероятных вещей. Вот, коллеги делают очень разного размера автономные аппараты (глайдеры), на которых разместить продукт китайской промышленности весом 12 килограмм не то чтобы проблематично, но немножко невозможно, а особенно сильно невозможно его питать силами этого аппарата, вот к примеру, взгляните на этого малыша
На вкусное
Я хочу рассказать как мы повторили опыт из предыдущей статьи, где определяли географическое местоположение одного из модемов RedGTR при помощи другого такого же модема, GPS-модуля и китайской приманочной лодочки на радиоуправлении.
Я на скорую руку переделал приложение, чтобы оно могло работать с модемами uWAVE, а бортовую прошивку лодочки даже не пришлось изменять. Протокол сопряжения с модемами сделали еще проще.
Из-за нехватки времени мы не поехали на нашу любимую Пичугу, а удовольствовались запасным вариантом — пруд Южный, знакомый нам водоем, с глубиной от 2 до 1.5 метров.
В этот раз «маяк» располагался на плотике из твердого теплоизола, и питался от Power Bank-а, что видно на фото: 
погрузка плотика с маяком на лодку: 
рабочий момент: 
В общем все ожидаемо заработало и в итоге мы получили пару треков с точностью определения лучше 1 метра. Вот так: 
И Вот так: 
На фото выше увеличенная часть трека, а весь он в виду вытянутости водоема на следующем фото: 
Зеленым показан трек измерений — точек, где замерялась дистанция до ответчика, а там, где он отстает от синего (трек лодочки) акустическая связь обрывалась. Причина этого достаточно проста и банальна — гидрологические условия такие, что вряд ли кто-то кроме городских сумасшедших нас догадался бы окунать в такой водоем такое оборудование и пытаться передавать там данные.
В обоих случаях получили отклонение от реального положения маяка в районе 70–90 сантиметров.
Вот так это выглядит на экране пультового приложения: 
Модем на лодочке питается от свинцового АКБ, его напряжение, а также глубина и время распространения отображаются слева вверху, модем — «ответчик» питался от Power bank-а, его напряжение ожидаемо 5 Вольт, а глубина 80 см. Температура воды по данным запрашивающего 14.7 °С, а по данным ответчика 13.8 °С.
Из перспектив, связанных с данной веткой устройств
— планируем сделать пеленгационную антенну для работы с uWAVE;
— уже готовы прошивки для длиннобазисной системы, в которой uWAVE модем выступит в роли пингера, а его местоположение можно будет определять при помощи четырех маленьких буев. Как только освободимся от текущих задач — займемся разработкой корпусов и плат.
В заключение
Спасибо за внимание, как всегда, обоснованная критика и пожелания приветствуются!
P. S.
А еще он такой прикольный, маленький =)
Мы получили истинное наслаждение в процессе разработки нашего самого-самого модема, это один из таких моментов, ради которых мы и работаем.
P.P. S.
Успех предприятия отметили чаепитием, не вылезая из байдарки
