Saudações, nosso querido habretchitel!
“Assim, os Espíritos declinaram, e a câmara
Detém enxames incontáveis
Espaçoso.
(C) John Milton, Paraíso Perdido
Os adeptos do kalal sombrio das comunicações e navegação subaquáticas estão trabalhando dia e noite para levar essas comunicações e navegação subaquáticas às massas, e hoje um deles, como prometido, apresentará um relatório sobre o trabalho realizado e os sucessos alcançados.
Então, parece-me que desta vez atingimos o limite físico e, provavelmente, é impossível criar um dispositivo para transmitir dados digitais pelo som através da água a uma distância de 1000 metros, de alguma forma visivelmente menor.
Quem ficou empolgado com o assunto - encaminhar, à abundância do sonar, por baixo do corte!
Tradicionalmente, percebendo que o tópico da comunicação hidroacústica e problemas relacionados não é familiar para todos, ofereço um conjunto nosso (e não apenas)
Mencionarei brevemente que
aqui 95% do oceano permanece inexplorado, e a dificuldade não está apenas no fato de não podermos mais viver debaixo d'água, mas também no fato de que as ondas de rádio (com uma frequência adequada) não se propagam debaixo d'água e, consequentemente, todas , que é possível na terra e no céu com a ajuda de radiocomunicação, torna-se quase impossível mesmo sob uma fina camada de água e, sim, ainda é muito escuro e nublado lá.
A humanidade está tentando sair, e hoje a única alternativa mais ou menos difundida às radiocomunicações debaixo d'água é a acústica, ou melhor, a hidroacústica. Com a ajuda de ondas sonoras, que por sinal se propagam na água cinco vezes mais rápido que no ar:
E eles apenas transmitem dados digitais e, muitas vezes em nossos dias, é uma boa forma de combinar transmissão de dados com navegação.
Os dispositivos com os quais os dados digitais são transmitidos pela água são chamados (por incrível que pareça) de modem hidroacústico.
A transferência de som através da água é difícil, mas você pode
Para entender por que isso é difícil, imagine que você está olhando através de um fluxo murmurante para um jornal deitado no fundo e tentando lê-lo. Tudo o que você consegue ver através das ondulações e do brilho é a manchete. Ao forçar muito os olhos, você poderá compreender (até adivinhar mais) o texto das subposições, para entender o que está escrito nas colunas sairá com muita sorte, quando as ondulações forem suavizadas por um momento e uma fina camada de água laminar permanece entre o olho e o texto.
O som na água se propaga de maneira não linear, sofrendo curvas (refração), reflexão, adição e subtração de cópias refletidas do sinal (reverberação e propagação de caminhos múltiplos), deslocamento Doppler e também extensão e compressão do espectro.
Seguindo nossa analogia, quanto maior o cabeçalho - mais fácil é ler, ou seja, menor a velocidade de transmissão - mais confiável é a conexão no caso geral, “adivinhar” o que está escrito no texto menor pode ser comparado à codificação resistente a ruído (isso leva tempo e informações adicionais) , e você pode ler textos muito pequenos apenas em boas condições.
As pessoas próximas às comunicações de rádio perceberão, com razão, que todas as dificuldades listadas são inerentes a um grau ou outro do canal de rádio; no entanto, as principais diferenças são que, na hidroacústica para transmissão de dados, temos uma banda de 5 a 100 kHz com um trecho muito alto ( na realidade, é visivelmente menor) e o controle para a cabeça: se (mais ou menos) transmitir dados na faixa de 5-15 kHz, trabalhará duro por 10-20 km, e na faixa de 80-100 kHz é possível atingir um alcance de 1 km sorte, devido à forte desigualdade de atenuação Sou ondas sonoras de diferentes frequências.
Bem, sim, a velocidade do som é um pouco menor que a velocidade da luz - apenas 200.000 vezes.
Para ilustrar as capacidades dos modernos modems de sonar, darei aqui um tablet da
dissertação (página 54 no PDF) Bridget Benson, que é muito popular entre aqueles que
estão tentando em
vão fazer um modem de sonar "de joelhos". O tablet está um pouco desatualizado, porque o trabalho indicado data de 2010 e, infelizmente, não posso corrigi-lo com base em rumores, por isso cito inalterado:
| Fabricante | Modem | Banda, kHz | Consumo de energia (transmissão), W | Alcance, km |
|---|
| Aquatec | Aquamodem | 8-16 | 20 | 10 |
| Dspcomm | Aquacomm | 16-30 | variado | 3 |
| Triech | 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 |
| Fabricante | Modem | Consumo de energia (recepção), W | Modulação | Taxa de bits | Preço, $ |
|---|
| 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 |
| Benthos | ATM885 | 0,7 | FSK / PSK | 140-15360 | 7200-11000 |
| EvoLogics | S2CM48 / 78 | 0,5 | S2C | 15.000 | 12500 |
| Linkquest | UWM2000H | NS | Proprietário | 9600 | 7000 |
| UCSD | UCSDModem | 0,42 | FSK | 200 | 350 * |
* Somente cálculo de custos de componentes
O que mudou desde 2010? O Benthos foi comprado pela Teledyne, a Aquatec não fabrica mais um modem acústico (agora o faz opticamente a uma distância de 1 metro), e os modems EvoLogics, por rumores que chegaram até mim, ficaram significativamente mais baratos. Mas a mudança mais global do meu ponto de vista ocorreu recentemente: modens de sonar
apareceram no alibab-e. A um preço de US $ 1.000 a US $ 2.000 cada. Existe tecnologia na China e, muito provavelmente, passou para a categoria de civis. Os cavalheiros do tablet aceitam novos membros em suas fileiras.
Mas enquanto fabricantes chineses lentos acabam de lançar dispositivos de US $ 1.000 a US $ 2.000 cada, o DSPComm experiente com modems de US $ 6.600 há muito tempo
escreveu em seu site que seu objetivo é modems mais baratos que US $ 1.000.
As pessoas estão tentando fazer um modem de sonar barato
E a palavra-chave aqui é "barato" - apenas no Google "Modem acústico subaquático de baixo custo". Se descartarmos muitas teses, suspeitas de repetir a tese de B. Benson, ainda haverá um número suficiente de projetos interessantes. Uma
generalização interessante em minha opinião foi feita pelos camaradas espanhóis. De muitas maneiras, muito honesto, sem muito esforço para embelezar algo.
Mas voltando ao tópico do artigo
Os produtos chineses mencionados assustam com sua precisão: F120x600, peso 12 kg, 40 watts do transmissor empurra dados com velocidades de 140 a 1200 bit / s por uma distância de 20 quilômetros. No que diz respeito à velocidade de transmissão - eu recomendo sempre olhar para o limite inferior da faixa.
O menor (e mais barato) modem
dentre os apresentados no tablet -
MicronModem, do spin-off inglês da empresa New Castle University, possui dimensões 5679 mm, peso seco 235 gramas e, de acordo com o fabricante, pode transmitir dados do usuário a uma velocidade de 40 bits / s para distância de até 500 metros.
Nada mal, mas em 2016 lançamos nosso
RedLINE , que com dimensões de 64x62 mm e peso seco de 360 gramas pode transmitir dados digitais a uma velocidade de 80 bits / s a uma distância de 8000 metros, estando muito mais barato que um concorrente e até com uma função de retransmissão. De várias maneiras, foi possível colocar “espíritos na câmara” com tanta força, graças aos esforços de
StDmitriev e um pouco de mina. Nossa idéia então tomou forma em toda uma
patente .
Correndo de volta
Nós nos perguntamos: em que consiste um modem? Normalmente, uma antena transceptora feita de um ou mais anéis piezocerâmicos, um amplificador de potência, pré-amplificador e filtros, além de algum tipo de processador de sinal digital. Parece não ser ciência de foguetes? Mas mesmo em um foguete, o custo de todos os materiais e montagens é apenas menos de 10% do custo do próprio foguete.
Embora a tecnologia não tenha conquistado status de massa, ela continua cara.
E queremos comprar um modem de sonar não foi mais difícil do que comprar um módulo Arduino, GPS ou rádio.
O que estamos fazendo para isso? Continuando a explorar nossa patente,
StDmitriev desta vez "empurrou os espíritos" para uma câmara ainda menor, e, portanto, arquivei um novo firmware que poderia usar totalmente o ferro de registro resultante.
Conheça este
uWAVE - o menor e mais barato modem de sonar do mundo
Agora, os espíritos estão amontoados em um cilindro medindo F40x45 milímetros, cujo peso não excede 160 gramas. O chiado de espírito permite transferir dados a uma velocidade de 78 bits / s, a uma distância de até 1000 metros. E o próprio modem pode ser alimentado até por USB.
As fotos a seguir comparam os tamanhos de RedLINE (amarelo) e uWAVE (vermelho):
Mas isso não é tudo: o modem suporta não apenas a transmissão dos chamados. um canal transparente com divisão de código de assinantes, mas também um modo de comando no qual você pode solicitar remotamente profundidade, temperatura (existe um sensor embutido a bordo) e a tensão do assinante remoto com uma medição do tempo de propagação do sinal. E para tarefas de telecontrole, são fornecidos 9 comandos de usuário de código.
Mas mesmo isso não é a principal coisa, mas a principal é que conseguimos quebrar nosso próprio recorde de preços e o preço de varejo do modem uWAVE é de US $ 480. São 6 (SEIS, KARL!) Vezes mais baratos que o equivalente inglês mais próximo, com o dobro do alcance e metade do tamanho. Esperamos que, com um aumento nos volumes de produção, o preço possa ser reduzido ainda mais.
Como você pode ver, atendemos às expectativas de 7,6% dos que votaram no
artigo anterior, e essa faixa de preço ocupa o segundo lugar na votação, depois dos US $ 100 a US $ 200 até agora inatingíveis.
Se alguém puder agora menos e mais barato com as mesmas características - dou minha palavra: abandono imediatamente a profissão!Quando falei sobre o fato de termos atingido a
parte inferior do limite físico em tamanho, quis dizer que, mesmo que consigamos encaixar todos os eletrônicos em um volume menor, o tamanho do anel usado não nos permitirá trabalhar efetivamente nessa faixa de frequência e é impossível obter energia características especificadas. Quanto menor o elemento piezoelétrico, pior é a emissão de baixas frequências, quanto maior a frequência, menor a distância de comunicação. Essas coisas.
Por que tudo isso é necessário?
“Bilhões de ossos desconhecidos em sepulturas desconhecidas não nos atraem, nos exigem ou nos reprovam? Vejo bilhões de vidas humanas passadas, nas quais a juventude, a beleza e as alegrias da vida fluíam instantaneamente como areia entre os dedos - elas exigem revelar o grande mistério do tempo, combatê-lo! A vitória sobre o espaço é a vitória ao longo do tempo - é por isso que estou confiante na minha retidão e na grandeza do negócio concebido! ” (C) I. Efremov, nebulosa de Andrômeda
“Primeiro, é simplesmente lindo ...” (C)
Sério, recentemente o tema da comunicação com um bando de dispositivos autônomos, a Internet subaquática das coisas e outras coisas incríveis foi especialmente exigido. Assim, os
colegas fabricam dispositivos autônomos (planadores) de tamanhos muito diferentes, nos quais não é tão problemático colocar um produto da indústria chinesa pesando 12 kg, mas um pouco impossível, e é especialmente impossível alimentá-lo com este dispositivo, por exemplo, dê uma olhada neste
bebê
Para gostoso
Quero contar como repetimos a experiência do
artigo anterior, onde determinamos a localização geográfica de um dos modems
RedGTR usando outro do mesmo modem, módulo GPS e um barco de isca chinês no controle de rádio.
Eu preparei o
aplicativo para que ele pudesse funcionar com os modems uWAVE, e o firmware a bordo do barco nem precisou ser alterado.
O protocolo da interface do modem
foi simplificado.
Devido à falta de tempo, não fomos ao nosso amado
Pichuga , mas ficamos satisfeitos com a opção de backup -
Yuzhny Pond , um reservatório de água que conhecemos, com uma profundidade de 2 a 1,5 metros.
Desta vez, o “farol” estava localizado em uma jangada de isolamento térmico sólido e foi acionado pelo Power Bank, como pode ser visto na foto:
Carregando uma jangada com um farol em um barco:
Momento de trabalho:
Em geral, tudo funcionou como esperado e, no final, conseguimos algumas faixas com uma precisão superior a 1 metro. Assim:
E assim:
A foto acima mostra uma parte ampliada da pista, e tudo em vista do alongamento do reservatório na foto a seguir:
A pista de medição é mostrada em verde - os pontos em que a distância do réu foi medida e onde fica atrás do azul (pista do barco) a conexão acústica foi cortada. A razão para isso é bastante simples e banal - as condições hidrológicas são tais que é improvável que alguém que não seja
lunático da cidade adivinhe mergulhar esse equipamento em um reservatório e tentar transmitir dados para lá.
Nos dois casos, eles tiveram um desvio da posição real do farol na região de 70 a 90 centímetros.
É assim que aparece na tela do aplicativo remoto:
O modem no barco é alimentado por uma bateria de chumbo-ácido, sua voltagem e a profundidade e o tempo de propagação são exibidos no canto superior esquerdo, o modem “respondedor” foi alimentado pelo banco de potência, sua voltagem é estimada em 5 Volts e a profundidade é 80 cm. Temperatura da água de acordo com a solicitação 14,7 ° C, e de acordo com o entrevistado 13,8 ° C.
Das perspectivas associadas a esse ramo de dispositivos
- Planejamos fazer uma antena de localização de direção para trabalhar com o uWAVE;
- o firmware para o sistema de base longa já está pronto, no qual o modem uWAVE atuará como sinal de alerta e sua localização pode ser determinada usando quatro pequenas bóias. Assim que nos livrarmos das tarefas atuais, iniciaremos o desenvolvimento de casos e conselhos.
Em conclusão
Obrigado pela atenção, como sempre, boas críticas e sugestões são bem-vindas!
PS
E ele é tão legal, pequeno =)
Tivemos um verdadeiro prazer no processo de desenvolvimento do nosso modem mais moderno, esse é um daqueles momentos em que trabalhamos.
PPS
O sucesso da empresa foi marcado por beber chá sem sair do caiaque.
