海洋觀測網絡化智能接口標準的研究
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3 PUCK協議
PUCK協議全稱為智能化可編程水下連接器(Programmable Underwater Connector with Knowledge)，是一種簡單的命令協議，由美國的MBARI(Monterey Bay Aquarium Research Institute)提出，目的是簡化海洋傳感器網絡的集成和維修。目前大多數傳感器網絡需要技術人員進行手動配置以確保軟件部分與儀器緊密聯系在一起。這些配置步驟非常耗時并且容易出錯，尤其在一些惡劣的環境下必須進行手動配置時，更是增加了出現人為出錯的可能性。使用PUCK協議后，當儀器被安裝時，系統會自動地識別這個儀器，我們稱之為“即插即用”。目前PUCK協議已經發展得非常成熟并且被OGC組織所接受，成為了一個OGC標準。
PUCK協議的優點如下：1)簡單易懂，從儀器自身檢索相關的信息；2)制造商們在固件中使用PUCK協議，而不用外接電纜和連接器；3)兼容已存的儀器協議；4)不限制負載的格式和內容；5)適用于RS-232、RS-485和以太網接口的儀器。
3．1 PUCK信息載體
PUCK協議在PUCK存儲器中定義了一個小型標準的“儀器數據表”，能夠在每個使用PUCK協議的儀器中被檢索到。這個數據表的元數據包括一個唯一的標識符(UUID)，以及制造商和型號代碼。這些元數據可以作為更加大量的儀器信息的指針。例如，如1451 TEDS或SensorML文檔這樣的儀器描述文檔被存儲在一個外部定義的數據庫中，而UUID就是打開這個數據庫的鑰匙。所有使用PUCK協議的儀器必須提供數據表。
此外，PUCK協議還在PUCK存儲器中定義了一個可選的“PUCK負載”，其中包括運行這個儀器所需要的額外信息，如儀器驅動代碼，以及像SensorML這樣的元數據。就驅動代碼而言，我們需要注意的是，代碼并不是由儀器來執行，恰恰相反，代碼是由主機通過PUCK檢索到并執行。PUCK并不限制負載內容，其由觀測系統的開發人員和使用者來決定。
3．2 PUCK協議的發展
PUCK v1．4版將此協議的應用從RS-232擴展到以太網接口——“IP PUCK”協議，其中包括零配置網絡(Zeroconf)的應用。這種應用使得在IP網絡中安裝和識別傳感器變得更加簡單。
4 標準協議之間的分析比較與應用實例
4．1 IEEE 1451與OGC SWE之間的對比
由上文可知，對于在海洋觀測系統中的應用，IEEE 1451與OGC SWE都是綜合性標準，都能夠獨立完成從底層傳感器到頂層web服務的系統標準化設計，但是二者之間仍然存在很大的差別。IEEE 1451的側重點是海洋觀測系統中底層儀器接口的標準化，實現變送器的“即插即用”；而SWE側重于海洋觀測系統中的Web接口服務，實現數據傳輸和處理的實時性。
對于傳感器特性的描述，IEEE 1451與OGC SWE分別提供了各自的元數據框架——TEDS與SensorML。TEDS描述了底層傳感器的基本功能(硬件、校準、感測、屬性)，但它不能為邏輯意義上傳感器提供所有的額外描述信息，它也不能描述高層的數據處理，得轉換為應用層所需的數據類型；而SensorML適用于高等級應用，并且提供了一個更加綜合的模型，其中包括如傳感器數據采集與處理這樣的復雜特性，正好可以克服TEDS這兩方面的缺陷。因此，TEDS到SensorML之間的映射問題是目前的焦點問題之一，如果能夠有效地結合這兩種標準，建立全新有效的標準化海洋觀測體系將會事半功倍。
但是，這兩種標準仍然存在如下問題：1)體系龐大，內容非常復雜，人們理解起來非常費時費力；2)如今嵌入式處理器應用越來越廣，低成本和低功耗的考慮越來越多，因此人們可能只能執行標準的一部分；3)使用標準時，人們不得不拋棄不能實現標準的固件，而這些固件往往代表著資金和時間的投入，造成這個問題的最主要的原因是制定標準時沒有處理好與已有標準協議的關系：4)IEEE 1451與SWE仍在修訂和完善，標準的修訂版本必須確保能夠“向后兼容”，并且儀器固件也要升級以保持和最新標準的兼容。
4．2 PUCK協議與其他標準之間的對比與存在問題
與IEEE 1451和SWE標準相比較，PUCK協議是一種標準本地儀器協議，只用于實現底層儀器的互操作性。相較前兩者而言，PUCK協議非常簡單易懂，最重要的是，PUCK與IEEE1451、SWE能夠兼容共存并為其提供支持，如圖4所示。本文引用地址：http://www.104case.com/article/192748.htm
PUCK協議仍然存在如下問題：1)雖然相對簡單易懂，但是使用PUCK的同時，人們仍然需要儀器驅動；2)PUCK協議本身并不支持儀器互操作性；3)隨著上層協議的升級，執行這些協議的PUCK負載也必須隨之升級。
4．3 標準的實際應用
IEEE 1451標準處理傳感器原始數據，OGC—SWE將經過處理的數據傳遞到Web應用上。正確地結合使用SWE與IEEE 1451標準能夠準確無誤地將傳感器信息從物理傳感器傳遞到Web應用上。PUCK協議能夠支持其他標準，并簡化海洋儀器到海洋觀測系統的集成。因此，如何正確合理地集成SWE、IEEE 1451和PUCK等標準協議，是目前國際上的焦點問題。
MBARI、OGC與由NIST領導的傳感器標準協調工作組(SSHWG)中的一些成員共同開發了一個互操作性儀器試驗臺，演示了IEEE 1451、OGC SWE與PUCK協議的綜合使用，實現了快速采集、融合與評估不同儀器和觀測平臺的數據。
5 結束語
隨著海洋觀測技術的發展，網絡化觀測模式成為當前的熱點，更加注重系統性、兼容性、交互性，對探測設備和傳感器要求具有“即插即用”的特點。變送器底層接口標準可減少硬件方面的復雜度，實現海洋儀器的互換性，網絡應用層接口標準可實現數據的共享與交互，從而滿足海洋觀測系統的擴展、更新維護等保障需求。
智能海洋傳感器聯盟(SOSC)等國際海洋組織正在大力推廣IEEE 1451、SWE、PUCK等標準協議，這些年已經取得了很大的發展。目前這些標準已經成功地應用于國際上的海洋觀測系統中，而我國海洋觀測領域在此方面還是空白狀態。我國的海洋科研人員如果能夠在海洋觀測系統的構建、改進上借鑒這些國際上先進的接口標準，將會大大提高我國海洋觀測系統的信息服務效率和技術支撐能力。
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