Saludos, nuestro querido habretchitel!
"Por lo tanto, los espíritus disminuyeron, y la cámara
Sostiene incontables enjambres
Espacioso.
(C) John Milton, Paraíso perdido
Los partidarios del kagal oscuro de las comunicaciones y navegación subacuáticas están trabajando día y noche para llevar esta comunicación y navegación muy subacuática a las masas, y hoy uno de ellos, según lo prometido, informará sobre el trabajo realizado y los éxitos logrados.
Entonces, me parece que esta vez hemos alcanzado el límite físico y lo más probable es que sea imposible hacer que un dispositivo para transmitir datos digitales por sonido a través del agua a una distancia de 1000 metros sea de alguna manera notablemente más pequeño.
¿Quién estaba entusiasmado con el tema: hacia adelante, a la abundancia del sonar, debajo del corte!
Tradicionalmente, al darme cuenta de que el tema de la comunicación hidroacústica y los problemas relacionados no son familiares para todos, ofrezco un conjunto nuestro (y no solo)
Mencionaré brevemente que
aquí el 95% del océano permanece sin explorar, y la dificultad no solo está en el hecho de que ya
no podemos vivir bajo el agua, sino también en el hecho de que las ondas de radio (de una frecuencia adecuada) no se propagan bajo el agua, y en consecuencia , que es posible en la tierra y en el cielo con la ayuda de las comunicaciones de radio, se vuelve casi imposible incluso bajo una fina capa de agua, y sí, todavía está oscuro y nublado allí.
La humanidad está tratando de salir, y hoy la única alternativa más o menos extendida a las comunicaciones por radio bajo el agua es la acústica, o más bien la hidroacústica. Con la ayuda de ondas de sonido, que por cierto, se propagan en el agua cinco veces más rápido que en el aire:
Y solo transmiten datos digitales, y a menudo en nuestro tiempo, es una buena forma de combinar la transmisión de datos con la navegación.
Los dispositivos con los que se transmiten datos digitales a través del agua se llaman (por extraño que parezca) un módem hidroacústico.
La transferencia de sonido a través del agua es difícil, pero puedes
Para entender por qué esto es difícil, imagina que estás mirando a través de una corriente murmurante un periódico que se encuentra en la parte inferior y tratando de leerlo. Todo lo que logras distinguir a través de las ondas y el resplandor es el titular. Al esforzar mucho los ojos, es posible que pueda comprender aproximadamente (incluso adivinar más) el texto de los subtítulos, para comprender lo que está escrito en las columnas resultará con mucha suerte, cuando las ondas se suavizan por un momento y una capa delgada de agua laminar fluye entre el ojo y el texto.
El sonido en el agua se propaga de forma no lineal, experimentando curvas (refracción), reflexión, adición y sustracción de copias reflejadas de la señal (reverberación y propagación por trayectos múltiples), desplazamiento Doppler, y también extensión y compresión del espectro.
Siguiendo nuestra analogía, cuanto más grande es el encabezado, cuanto más fácil es leer, es decir, menor es la velocidad de transmisión, más confiable es la conexión en el caso general, "adivinar" lo que está escrito en el texto más pequeño se puede comparar con la codificación resistente al ruido (esto lleva tiempo e información adicional) , y puede leer textos muy pequeños solo en buenas condiciones.
Las personas cercanas a las comunicaciones de radio notarán con razón que todas las dificultades enumeradas son inherentes en un grado u otro en el canal de radio, sin embargo, las principales diferencias son que en el sonar para transmisión de datos tenemos una banda en algún lugar de 5 a 100 kHz con un tramo muy alto ( en realidad, es notablemente más pequeño), y el control a la cabeza: si (más o menos) para transmitir datos en la banda 5-15 kHz, trabajará duro durante 10-20 km, luego en la banda 80-100 kHz es posible alcanzar un rango de 1 km con cuota de suerte, debido a la fuerte desigualdad de la atenuación Soy ondas sonoras de diferentes frecuencias.
Bueno, sí, la velocidad del sonido es ligeramente menor que la velocidad de la luz, solo 200,000 veces.
Para ilustrar las capacidades de los módems de sonda modernos, daré aquí una tableta de la
disertación (página 54 en PDF) Bridget Benson, que es muy popular entre aquellos que intentan en
vano hacer un módem de sonda "de rodillas". La tableta está un poco desactualizada, porque el trabajo indicado data de 2010 y, desafortunadamente, no puedo solucionarlo en base a rumores, por lo tanto, lo cito sin cambios:
| Fabricante | Módem | Banda, kHz | Consumo de energía (transmisión), W | Alcance, km |
|---|
| Aquatec | Aquamodem | 8-16 | 20 | 10 |
| Dspcomm | Aquacomm | 16-30 | variado | 3 |
| Triech | Micronmodem | 20-24 | 7,92 | 0.5 0.5 |
| Whoi | Micromodem | 25 | 50 | 1-10 |
| Bentos | 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 0.4 |
| Fabricante | Módem | Consumo de energía (recepción), W | Modulación | Tasa de bits | Precio, $ |
|---|
| Aquatec | Aquamodem | 0.6 | Dsss | 300-2000 | 7600 |
| Dspcomm | Aquacomm | variado | DSSS / OFDM | 480 | 6600 |
| Triech | Micronmodem | 0,72 | Dsss | 40 | 3500 |
| Whoi | Micromodem | 0.23 / 2 | FSK / PSK | 80/5400 | 8100-9400 |
| Bentos | ATM885 | 0.7 | FSK / PSK | 140-15360 | 7200-11000 |
| EvoLogics | S2CM48 / 78 | 0.5 0.5 | S2C | 15,000 | 12500 |
| Linkquest | UWM2000H | NS | Propietario | 9600 | 7000 |
| UCSD | UCSDModem | 0,42 | FSK | 200 | 350 * |
* Estimación de costos de componentes solamente
¿Qué ha cambiado desde 2010? Benthos fue comprado por Teledyne, Aquatec ya no fabrica un módem acutico (ahora solo lo hace ópticamente a una distancia de 1 metro), y los módems EvoLogics, por los rumores que me han llegado, se han vuelto significativamente más baratos. Pero el cambio más global desde mi punto de vista ha ocurrido recientemente: los módems sonares
aparecieron en alibab-e. A un precio de alrededor de $ 1,000- $ 2,000 cada uno. Hay tecnología en China, y lo más probable es que haya pasado a la categoría de civiles. Los caballeros de la tableta aceptan nuevos miembros en sus filas.
Pero mientras los lentos fabricantes chinos acaban de lanzar dispositivos por $ 1,000- $ 2,000 cada uno, el experimentado DSPComm con módems de $ 6,600 ha
escrito en su sitio web que su objetivo es módems más baratos que $ 1,000.
La gente está tratando de hacer un módem sonar barato
Y la palabra clave aquí es "barato" - solo google "Módem acústico subacuático de bajo costo". Si descartamos muchas tesis, cerramos sospechosamente la repetición de la tesis de B. Benson, entonces todavía habrá un número suficiente de proyectos interesantes. Los camaradas españoles hicieron una interesante
generalización en mi opinión. En muchos sentidos, muy honesto, sin mucho esfuerzo para embellecer algo.
Pero volviendo al tema del artículo.
Los productos chinos mencionados asustan con su minuciosidad: F120x600, peso 12 kg, 40 vatios del transmisor de datos de empuje con velocidades de 140 a 1200 bit / s en una distancia de 20 kilómetros. Con respecto a la velocidad de transmisión, recomiendo mirar siempre el límite inferior del rango.
El módem más pequeño (y más barato) de los presentados en la tableta:
MicronModem de la empresa spin-off inglesa de la compañía New Castle University tiene dimensiones F56x79 mm, un peso en seco de 235 gramos y, según el fabricante, puede transmitir datos del usuario a una velocidad de 40 bit / s para distancia hasta 500 metros.
No está mal, pero en 2016 lanzamos nuestro
RedLINE , que con dimensiones de 64x62 mm y un peso en seco de 360 gramos puede transmitir datos digitales a una velocidad de 80 bit / s a una distancia de 8000 metros, mientras que es mucho más barato que un competidor, e incluso con una función de relé. En muchos sentidos, fue posible
llevar a los "espíritus a la cámara" con tanta fuerza gracias a los esfuerzos de
StDmitriev y una pequeña mina. Nuestra idea tomó forma en toda una
patente .
Corriendo de regreso
Nos preguntamos, ¿en qué consiste un módem? Típicamente, una antena transceptora hecha de uno o más anillos piezocerámicos, un amplificador de potencia, preamplificador y filtros, así como algún tipo de procesador de señal digital. Parece que no es ciencia espacial? Pero incluso en un cohete, el costo de todos los materiales y conjuntos es solo inferior al 10% del costo del cohete.
Si bien la tecnología no ha alcanzado un estatus masivo, sigue siendo costosa.
Y queremos comprar un módem de sonda no fue más difícil que comprar un módulo Arduino, GPS o radio.
¿Qué estamos haciendo para esto? Continuando con la explotación de nuestra patente,
StDmitriev esta vez "empujó a los espíritus" a una cámara aún más pequeña, y en consecuencia archivé un nuevo firmware que podría usar completamente el hierro de registro resultante.
Conoce este
uWAVE : el módem de sonda más pequeño y barato del mundo
Ahora los espíritus se apiñan en un cilindro que mide F40x45 milímetros, cuyo peso no supera los 160 gramos. El silbido de los espíritus le permite transferir datos a una velocidad de 78 bit / s en una distancia de hasta 1000 metros. Y el módem en sí mismo puede alimentarse incluso desde USB.
Las siguientes fotos comparan los tamaños de RedLINE (amarillo) y uWAVE (rojo):
Pero esto no es todo: el módem no solo admite la transmisión por los llamados. canal transparente con división de código de suscriptores, pero también un modo de comando en el que puede solicitar de forma remota la profundidad, la temperatura (hay un sensor incorporado a bordo) y el voltaje de la fuente de alimentación del suscriptor remoto con la medición del tiempo de propagación de la señal. Y para las tareas de telecontrol, se proporcionan 9 comandos de usuario de código.
Pero incluso esto no es lo principal, pero lo principal es que logramos romper nuestro propio récord de precios y el precio minorista del módem uWAVE es de $ 480. Esto es 6 (¡SEIS, KARL!) Veces más barato que la contraparte inglesa más cercana, con el doble de largo alcance y la mitad del tamaño. Esperamos que con un aumento en los volúmenes de producción el precio pueda reducirse aún más.
Como puede ver, cumplimos con las expectativas del 7.6% de los que votaron en el
artículo anterior, y este rango de precios ocupa el segundo lugar en la votación después de los $ 100- $ 200 inalcanzables hasta ahora.
Si alguien puede ahora menos y más barato con las mismas características, doy mi palabra: ¡dejo inmediatamente la profesión!Cuando hablé sobre el hecho de que hemos alcanzado el límite de tamaño físico
inferior , quise decir que incluso si logramos ajustar todos los componentes electrónicos en un volumen más pequeño, el tamaño del anillo utilizado no nos permitirá trabajar de manera efectiva en esta banda de frecuencia, y es imposible lograr energía características especificadas Cuanto más pequeño es el elemento piezoeléctrico, peor emite frecuencias bajas, cuanto mayor es la frecuencia, menor es la distancia de comunicación. Tales cosas
¿Por qué es todo esto necesario?
“¿No nos atrajeron, exigieron o nos reprocharon miles de millones de huesos desconocidos en tumbas desconocidas? Veo miles de millones de vidas humanas pasadas, en las que la juventud, la belleza y las alegrías de la vida fluyeron instantáneamente como arena entre los dedos: ¡exigen revelar el gran misterio del tiempo, luchar contra él! ¡La victoria sobre el espacio es la victoria sobre el tiempo, es por eso que confío en mi rectitud y en la grandeza del negocio concebido! (C) I. Efremov, nebulosa de Andrómeda
"En primer lugar, es simplemente hermoso ..." (C)
En serio, recientemente se ha exigido especialmente el tema de la comunicación con una bandada de dispositivos autónomos, el Internet submarino de las cosas y otras cosas increíbles. Entonces, los
colegas fabrican dispositivos autónomos (planeadores) de tamaños muy diferentes, en los que no es tan problemático colocar un producto de la industria china que pese 12 kilogramos, pero es un poco imposible, y es especialmente imposible alimentarlo con este dispositivo, por ejemplo, eche un vistazo a este
bebé
Para sabrosa
Quiero contar cómo repetimos la experiencia del
artículo anterior, donde determinamos la ubicación geográfica de uno de los módems
RedGTR usando otro del mismo módem, módulo GPS y un barco de cebo chino en el control de radio.
Agité la
aplicación para que pudiera funcionar con módems uWAVE, y el firmware a bordo del barco ni siquiera tuvo que ser cambiado.
El protocolo de interfaz de módem
se ha simplificado aún más.
Debido a la falta de tiempo, no fuimos a nuestro querido
Pichuga , pero quedamos satisfechos con la opción de respaldo:
Yuzhny Pond , un depósito de agua que conocemos, con una profundidad de 2 a 1,5 metros.
Esta vez, el "faro" se ubicó en una balsa de aislamiento térmico sólido y fue alimentado por Power Bank, como se puede ver en la foto:
Cargando una balsa con un faro en un bote:
Momento de trabajo:
En general, todo funcionó como se esperaba, y al final obtuvimos un par de pistas con una precisión superior a 1 metro. Así:
Y así:
La foto de arriba muestra una parte ampliada de la pista, y todo en vista del alargamiento del depósito en la siguiente foto:
La pista de medición se muestra en verde: los puntos donde se midió la distancia al acusado y donde se queda atrás del azul (pista del barco) se cortó la conexión acústica. La razón de esto es bastante simple y banal: las condiciones hidrológicas son tales que es poco probable que alguien más que
los locos urbanos hayan adivinado sumergir dicho equipo en tal depósito e intentar transmitir datos allí.
En ambos casos, obtuvieron una desviación de la posición real del faro en la región de 70-90 centímetros.
Así es como se ve en la pantalla de la aplicación remota:
El módem en el barco funciona con una batería de plomo-ácido, su voltaje, así como la profundidad y el tiempo de propagación se muestran en la parte superior izquierda, el módem "respondedor" fue alimentado por el banco de energía, se espera que su voltaje sea de 5 voltios y la profundidad es de 80 cm. La temperatura del agua de acuerdo con la solicitud 14.7 ° C, y de acuerdo con el encuestado 13.8 ° C.
De las perspectivas asociadas con esta rama de dispositivos
- Planeamos hacer una antena de dirección para trabajar con uWAVE;
- El firmware para el sistema de base larga ya está listo, en el que el módem uWAVE actúa como pinger, y su ubicación se puede determinar utilizando cuatro boyas pequeñas. Tan pronto como nos deshagamos de las tareas actuales, retomaremos el desarrollo de casos y tableros.
En conclusión
Gracias por su atención, como siempre, ¡las críticas y sugerencias son bienvenidas!
PS
Y él es tan genial, pequeño =)
Tenemos un verdadero placer en el proceso de desarrollo de nuestro módem más, este es uno de esos momentos para los que trabajamos.
PPS
El éxito de la empresa estuvo marcado por beber té sin salir del kayak.
