华盛顿大学的研究人员为智能手机带来了一款水下信息通讯APP

华盛顿大学的研究人员为智能手机带来了一款水下信息通讯APP

对于每年参加浮潜和潜水等活动的人来说，手势是水下传达安全和方向信息的唯一选择。虽然休闲爱好者可能使用大约20个信号，但专业潜水员需要的信号可能超过200个。

手势的视觉特性限制了它们在远距离和低能见度下的有效性。双向文本消息传递是一种潜在的替代方案，但它需要昂贵的自定义硬件，目前还没有广泛使用。

华盛顿大学的研究人员展示了如何仅使用软件在数十亿现有的智能手机和智能手表上实现水下信息传递。该团队开发了首款可与智能手机、智能手表等现有设备一起使用的水下声学通信和网络移动应用“AquaApp”。

8月25日，研究人员在2022年SIGCOMM大会上发表了描述AquaApp的论文。

“智能手机依靠WiFi和蓝牙等无线信号进行无线通信。这些不能在水下很好地传播，但声信号可以，”该研究的共同作者、Paul G. Allen计算机科学与工程学院的博士生Tuchao Chen说。“通过AquaApp，我们演示了使用智能手机和手表上广泛使用的扬声器和麦克风进行水下通讯。除了下载应用程序到手机，人们唯一需要的就是一个根据潜水深度评级的防水手机壳。”

AquaApp界面使用户能够从240条预设消息列表中进行选择，这些消息对应于专业潜水员使用的手势信号，并突出显示20种最常见的信号以便于访问。用户还可以根据方向指标、环境因素、设备状态等8个类别对信息进行过滤。

在开发这个应用程序的过程中，团队必须克服以前在陆地上从未遇到过的各种技术挑战。

“水下场景暴露了新的问题，”共同主要作者，艾伦学院的博士生Justin Chan说。“例如，由于来自海底、水面和海岸线的反射加剧了信号强度的波动。附近的人、波和物体引起的运动会干扰数据传输。此外，不同手机型号的麦克风和扬声器也有不同的特点。我们必须实时适应各种因素，以确保AquaApp能够在现实环境下工作。”

其他挑战包括解决设备在当前中迅速改变位置和接近程度的趋势，以及由于船只、动物甚至低空飞行的飞机的存在，应用程序可能会遇到的各种噪声概况。

该团队创建了一种算法，允许AquaApp根据特定参数（包括距离、噪声和设备间频率响应的变化）实时优化每次传输的比特率和声波频率。

它的工作原理是这样的：当一个用户想要向另一个设备发送消息时，他们的应用程序首先会向另一个设备发送一个快速的说明，称为序言。第二个设备上的AquaApp运行算法，以确定接收序言的最佳条件。然后它告诉第一个设备使用相同的条件来发送实际的消息。

研究人员开发了一种网络协议，以共享对水下网络的访问，类似于WiFi网络如何裁判互联网流量，以支持多个设备之间的消息传递。AquaApp的本地网络最多可同时容纳60名用户。

该团队在六个不同的水域测试了AquaApp系统的实际效用，包括在平静的水面下的桥梁下，在水流湍急的热门滨水公园，在繁忙湖泊的渔坞旁，以及在波涛汹涌的海湾。研究人员评估了该应用程序在最远113米的距离和最深12米的深度上的表现。

“根据我们的实验，水下30米内是发送和接收信息的理想范围，100米内是发送SoS信标的理想范围，”Chen说。“这些功能应该足以满足大多数休闲和专业场景。”

研究人员还测量了AquaApp对电池寿命的影响，他们在两台三星Galaxy S9智能手机上以最大音量连续运行该系统，并激活屏幕。这款应用程序在四小时的过程中只让设备的电池电量减少了32%，这在休闲水肺潜水的最大建议潜水时间内。

“AquaApp为大众带来了水下交流，”资深作者，华盛顿大学艾伦学院教授Shyam Gollakota说，“如今水下网络的状态类似于20世纪70年代互联网的前身阿帕网（ARPANET），当时只有少数人能接入互联网。AquaApp有可能改变这一现状，因为它使水下技术大众化，并使其像在智能手机上下载软件一样简单。”

该团队的数据和开源的Android代码可以在AquaApp网站上找到。

信息源于:eurekalert

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