海洋观测网络化智能接口标准的研究

摘要：网络化智能接口标准对于海洋观测系统的集成、海洋信息的实时获取和共享等具有非常重要的作用。介绍了IEEE 1451、OGC SWE和PUCK协议等三种国际海洋组织正在推广的接口标准，概括了它们的体系结构、重要内容及其发展状况，并对这三种标准协议进行分析和比较，最后提出了它们应用在海洋观测系统中的各自优势和侧重点，以及这三种标准存在的问题。
关键词：海洋观测系统；互操作性；IEEE 1451；OGC SWE；PUCK协议

海洋观测技术作为认识海洋、开发海洋的高技术手段，是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展的伟大目标所必不可少的。在海洋观测领域，为了满足目前海洋研究、开发和利用对于空间性和实时性的强烈需求，构建能够综合、协调、实时、持续地获取各种海洋物理参数的海洋观测系统是必然的发展趋势。
为了实现海洋环境信息的大规模、实时地获取与控制，海洋观测系统需要对底层仪器(包括传感器或执行器)组网进行各种参数的获取。
网络化的观测方式，更注重系统性和整体性，通过性能可靠和实时连接的所有观测平台、探测设备、传感器协同观测，实现海洋环境信息共享与交互。但是目前仪器的软件协议和数据格式大多是非标准的而且并不统一，这就给系统构建、扩展、更新和维护等带来很多不便。一方面，对于海洋观测系统的组建来说，各种协议的不兼容直接导致现场布线复杂，容易导致混乱并出错，大大增加了工程任务量；另一方面，对于系统的维护来说，更换系统中的海洋仪器时，几乎都需要技术人员进行手动安装和配置，而海上工作环境比较恶劣，这就增加了人为出错的可能性。
国际上的一些研究机构在上个世纪九十年代就开始研究解决这些问题。这些机构致力于发展能够应用于海洋观测系统中的底层仪器接口和网络应用层接口的技术标准，通过实现海洋仪器的互操作性，以最小的人力和高可靠性进行系统的构建和维护。

1 IEEE 1451
美国国家标准技术研究所(NIST)和IEEE仪器与测量协会传感技术委员会联合从1997年开始推出IEEE 1451系列智能变送器接口标准(Stan dard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators)，很好地解决了不同厂商之间传感器的互换性和互操作性问题，便于系统的构建与维护，因此成为当前信息化、网络化、智能化海洋观测领域研究热点之一。
制定IEEE 1451标准的目的是开发一种软硬件的连接方案，将智能变送器连接到网络或者用以支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线及Internet／Intranet。此标准通过定义一整套通用的通信接口，使变送器在现场采用有线或无线的方式实现网络连接，大大简化由变送器构成的各种网络控制系统，解决不同网络之间的兼容性问题，做到变送器的“即插即用”，并能够最终实现各个厂家产品的互换性与互操作性。
目前国际标准组织ISO和IEC已经接受了IEEE 1451系列标准，将其纳入了ISO／IEC／IEEE 2145X标准体系。
1．1 IEEE 1451标准系统模型
IEEE 1451标准中的网络化智能接口主要分为两个功能模块，如图1所示。

一个模块是网络应用处理器(Network Capable Applicationprocessor：NCAP)，它主要负责网络通信、STIM通信、数据转换等功能。NC AP是标准传感器总线与专用网络总线之间的接口，提供网络连接或者网关的功能。这一部分与微处理器集成到一起，在网络化传感器中起控制的作用；
另一个模块是智能变送器模块(Smart Transducer Interface Module；STIM or TIM)，它包括传感器或执行器、信号调理器、AD或DA转换器、物理接口以及一系列变送器电子数据表格(TEDS)。该模块能够支持单个或多个通道。它既可与传感器相连也可与执行器相连接。每一个STIM最多可与255个变送器通道相连接。每一个通道实际上就是STIM上的一个变送器单元。
NCAP与网络连接有3种方式：1)IEEE 1451．0超文本传送协议(HTTP)；2)IEEE 1451．1标准；3)智能变送器网络服务(STWS)。NCAP与TIM之间的接口被定义为IEEE1451．X物理接口规范，根据不同的应用需求选择不同的子标准接口规范。
1．2 IEEE 1451协议栈结构
IEEE 1451标准经过多年的制定与修改，目前形成了8个子标准，分为面向软件的接口与面向硬件的接口两大部分。
软件部分主要由IEEE 1451．0和IEEE 1451．1组成，通过面向对象模型的概念描述了网络化智能变送器的行为，定义了适应于接入不同测控网络的智能变送器软件接口规范；同时定义了一个通用的功能、通信协议和电子数据表格，可以加强IEEE 1451族系列标准之间的互操作性。
硬件部分由IEEE 1451．2～IEEE 1451．7组成，主要针对智能变送器不同的应用背景与目的，包括点对点(RS-232、UART、SPI等)、多点分布式、混合模式、无线(WiFi，Bluetooth，ZigBee等)、CANopen和RFID通信。