海洋观测网络化智能接口标准的研究
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3 PUCK协议
PUCK协议全称为智能化可编程水下连接器(Programmable Underwater Connector with Knowledge)，是一种简单的命令协议，由美国的MBARI(Monterey Bay Aquarium Research Institute)提出，目的是简化海洋传感器网络的集成和维修。目前大多数传感器网络需要技术人员进行手动配置以确保软件部分与仪器紧密联系在一起。这些配置步骤非常耗时并且容易出错，尤其在一些恶劣的环境下必须进行手动配置时，更是增加了出现人为出错的可能性。使用PUCK协议后，当仪器被安装时，系统会自动地识别这个仪器，我们称之为“即插即用”。目前PUCK协议已经发展得非常成熟并且被OGC组织所接受，成为了一个OGC标准。
PUCK协议的优点如下：1)简单易懂，从仪器自身检索相关的信息；2)制造商们在固件中使用PUCK协议，而不用外接电缆和连接器；3)兼容已存的仪器协议；4)不限制负载的格式和内容；5)适用于RS-232、RS-485和以太网接口的仪器。
3．1 PUCK信息载体
PUCK协议在PUCK存储器中定义了一个小型标准的“仪器数据表”，能够在每个使用PUCK协议的仪器中被检索到。这个数据表的元数据包括一个唯一的标识符(UUID)，以及制造商和型号代码。这些元数据可以作为更加大量的仪器信息的指针。例如，如1451 TEDS或SensorML文档这样的仪器描述文档被存储在一个外部定义的数据库中，而UUID就是打开这个数据库的钥匙。所有使用PUCK协议的仪器必须提供数据表。
此外，PUCK协议还在PUCK存储器中定义了一个可选的“PUCK负载”，其中包括运行这个仪器所需要的额外信息，如仪器驱动代码，以及像SensorML这样的元数据。就驱动代码而言，我们需要注意的是，代码并不是由仪器来执行，恰恰相反，代码是由主机通过PUCK检索到并执行。PUCK并不限制负载内容，其由观测系统的开发人员和使用者来决定。
3．2 PUCK协议的发展
PUCK v1．4版将此协议的应用从RS-232扩展到以太网接口——“IP PUCK”协议，其中包括零配置网络(Zeroconf)的应用。这种应用使得在IP网络中安装和识别传感器变得更加简单。
4 标准协议之间的分析比较与应用实例
4．1 IEEE 1451与OGC SWE之间的对比
由上文可知，对于在海洋观测系统中的应用，IEEE 1451与OGC SWE都是综合性标准，都能够独立完成从底层传感器到顶层web服务的系统标准化设计，但是二者之间仍然存在很大的差别。IEEE 1451的侧重点是海洋观测系统中底层仪器接口的标准化，实现变送器的“即插即用”；而SWE侧重于海洋观测系统中的Web接口服务，实现数据传输和处理的实时性。
对于传感器特性的描述，IEEE 1451与OGC SWE分别提供了各自的元数据框架——TEDS与SensorML。TEDS描述了底层传感器的基本功能(硬件、校准、感测、属性)，但它不能为逻辑意义上传感器提供所有的额外描述信息，它也不能描述高层的数据处理，得转换为应用层所需的数据类型；而SensorML适用于高等级应用，并且提供了一个更加综合的模型，其中包括如传感器数据采集与处理这样的复杂特性，正好可以克服TEDS这两方面的缺陷。因此，TEDS到SensorML之间的映射问题是目前的焦点问题之一，如果能够有效地结合这两种标准，建立全新有效的标准化海洋观测体系将会事半功倍。
但是，这两种标准仍然存在如下问题：1)体系庞大，内容非常复杂，人们理解起来非常费时费力；2)如今嵌入式处理器应用越来越广，低成本和低功耗的考虑越来越多，因此人们可能只能执行标准的一部分；3)使用标准时，人们不得不抛弃不能实现标准的固件，而这些固件往往代表着资金和时间的投入，造成这个问题的最主要的原因是制定标准时没有处理好与已有标准协议的关系：4)IEEE 1451与SWE仍在修订和完善，标准的修订版本必须确保能够“向后兼容”，并且仪器固件也要升级以保持和最新标准的兼容。
4．2 PUCK协议与其他标准之间的对比与存在问题
与IEEE 1451和SWE标准相比较，PUCK协议是一种标准本地仪器协议，只用于实现底层仪器的互操作性。相较前两者而言，PUCK协议非常简单易懂，最重要的是，PUCK与IEEE1451、SWE能够兼容共存并为其提供支持，如图4所示。本文引用地址：//www.cghlg.com/article/192748.htm
PUCK协议仍然存在如下问题：1)虽然相对简单易懂，但是使用PUCK的同时，人们仍然需要仪器驱动；2)PUCK协议本身并不支持仪器互操作性；3)随着上层协议的升级，执行这些协议的PUCK负载也必须随之升级。
4．3 标准的实际应用
IEEE 1451标准处理传感器原始数据，OGC—SWE将经过处理的数据传递到Web应用上。正确地结合使用SWE与IEEE 1451标准能够准确无误地将传感器信息从物理传感器传递到Web应用上。PUCK协议能够支持其他标准，并简化海洋仪器到海洋观测系统的集成。因此，如何正确合理地集成SWE、IEEE 1451和PUCK等标准协议，是目前国际上的焦点问题。
MBARI、OGC与由NIST领导的传感器标准协调工作组(SSHWG)中的一些成员共同开发了一个互操作性仪器试验台，演示了IEEE 1451、OGC SWE与PUCK协议的综合使用，实现了快速采集、融合与评估不同仪器和观测平台的数据。
5 结束语
随着海洋观测技术的发展，网络化观测模式成为当前的热点，更加注重系统性、兼容性、交互性，对探测设备和传感器要求具有“即插即用”的特点。变送器底层接口标准可减少硬件方面的复杂度，实现海洋仪器的互换性，网络应用层接口标准可实现数据的共享与交互，从而满足海洋观测系统的扩展、更新维护等保障需求。
智能海洋传感器联盟(SOSC)等国际海洋组织正在大力推广IEEE 1451、SWE、PUCK等标准协议，这些年已经取得了很大的发展。目前这些标准已经成功地应用于国际上的海洋观测系统中，而我国海洋观测领域在此方面还是空白状态。我国的海洋科研人员如果能够在海洋观测系统的构建、改进上借鉴这些国际上先进的接口标准，将会大大提高我国海洋观测系统的信息服务效率和技术支撑能力。
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