Forskere bringer den første undervandsmeddelelsesapp til smartphones

For millioner af mennesker, der deltager i aktiviteter som snorkling og dykning hvert år, er håndsignaler den eneste mulighed for at kommunikere sikkerhed og retningsbestemt information under vandet. Mens fritidsdykkere kan bruge omkring 20 signaler, kan professionelle dykkeres ordforråd overstige 200 signaler om emner lige fra iltniveau, til nærhed af akvatiske arter til udførelse af samarbejdsopgaver.

Den visuelle karakter af disse håndsignaler begrænser deres effektivitet på afstand og i lav sigtbarhed. Tovejs tekstbeskeder er et potentielt alternativ, men et alternativ, der kræver dyr brugerdefineret hardware, der ikke er almindeligt tilgængelig.

Forskere ved University of Washington viser, hvordan man opnår undervandsmeddelelser på milliarder af eksisterende smartphones og smartwatches kun ved brug af software. Holdet udviklede AquaApp, den første mobilapp til akustisk-baseret kommunikation og netværk under vandet, som kan bruges med eksisterende enheder såsom smartphones og smartwatches.

Forskerne præsenterede deres papir, der beskriver AquaApp 25. august på SIGCOMM 2022.

"Smartphones er afhængige af radiosignaler som WiFi og Bluetooth til trådløs kommunikation. De forplanter sig ikke godt under vandet, men det gør akustiske signaler," sagde medforfatter Tuochao Chen, en UW doktorand ved Paul G. Allen School of Computer Science &Ingeniørarbejde. "Med AquaApp demonstrerer vi undervandsmeddelelser ved hjælp af højttaleren og mikrofonen, der er bredt tilgængelige på smartphones og ure. Udover at downloade en app til deres telefon, er det eneste, folk har brug for et vandtæt telefoncover, der er klassificeret til dybden af ​​deres dyk."

AquaApp-grænsefladen gør det muligt for brugere at vælge fra en liste med 240 forudindstillede beskeder, der svarer til håndsignaler, der anvendes af professionelle dykkere, med de 20 mest almindelige signaler fremtrædende vist for nem adgang. Brugere kan også filtrere beskeder efter otte kategorier, herunder retningsindikatorer, miljøfaktorer og udstyrsstatus.

I forbindelse med opbygningen af ​​appen skulle teamet overvinde en række tekniske udfordringer, som de ikke tidligere er stødt på på tørt land.

"Undervandsscenariet giver nye problemer sammenlignet med applikationer over luften," sagde medforfatter Justin Chan, en doktorand ved Allen School. "For eksempel forværres udsving i signalstyrken på grund af refleksioner fra overfladen, gulvet og kystlinjen. Bevægelse forårsaget af nærliggende mennesker, bølger og genstande kan forstyrre datatransmissionen. Yderligere har mikrofoner og højttalere forskellige egenskaber på tværs af smartphone-modeller. Vi havde at tilpasse sig i realtid til disse og andre faktorer for at sikre, at AquaApp ville fungere under virkelige forhold."

Andre udfordringer omfattede at håndtere tendensen til, at enheder hurtigt skifter position og nærhed i strømmen, og de forskellige støjprofiler, som appen kan støde på på grund af tilstedeværelsen af ​​fartøjer, dyr og endda lavtflyvende fly.

Holdet skabte en algoritme, der gør det muligt for AquaApp i realtid at optimere bithastigheden og akustiske frekvenser for hver transmission baseret på visse parametre, herunder afstand, støj og variationer i frekvensrespons på tværs af enheder.

Sådan fungerer det:Når en bruger vil sende en besked til en anden enhed, sender deres app først en hurtig note, kaldet en præamble, til den anden enhed. AquaApp på den anden enhed kører algoritmen for at bestemme de bedste betingelser for at modtage præamblen. Derefter fortæller den den første enhed om at bruge de samme betingelser til at sende den faktiske besked.

Forskerne udviklede en netværksprotokol til at dele adgang til undervandsnetværket, i lighed med hvordan WiFi-netværk bedømmer internettrafik, for at understøtte meddelelser mellem flere enheder. AquaApp kan rumme op til 60 unikke brugere på sit lokale netværk på én gang.

Holdet testede den virkelige verden af ​​AquaApp-systemet på seks steder, der tilbyder en række forskellige vandforhold og aktivitetsniveauer, herunder under en bro i roligt vand, i en populær park ved havnefronten med stærke strømme ved siden af ​​en travl fiskehavn. sø og i en bugt med stærke bølger. Forskerne evaluerede appens ydeevne ved afstande på op til 113 meter og dybder på op til 12 meter.

"Baseret på vores eksperimenter er op til 30 meter den ideelle rækkevidde til at sende og modtage beskeder under vandet og 100 meter til at sende SoS-beacons," sagde Chen. "Disse muligheder burde være tilstrækkelige til de fleste rekreative og professionelle scenarier."

Forskerne målte også AquaApps indvirkning på batterilevetiden ved kontinuerligt at køre systemet på to Samsung Galaxy S9-smartphones med maksimal lydstyrke og med skærme aktiveret. Appen reducerede enhedernes batteristrøm med kun 32 % i løbet af fire timer, hvilket er inden for den maksimalt anbefalede dykketid for rekreativ dykning.

"AquaApp bringer undervandskommunikation til masserne," sagde seniorforfatter Shyam Gollakota, en UW-professor ved Allen School. "Tilstanden for undervandsnetværk i dag ligner ARPANET, forløberen for internettet, i 1970'erne, hvor kun nogle få udvalgte havde adgang til internettet. AquaApp har potentialet til at ændre den status quo ved at demokratisere undervandsteknologien og gøre den til som nemt som at downloade software til din smartphone."

Holdets data og open source Android-kode er tilgængelige på AquaApp-webstedet. + Udforsk yderligere

Aqua-Fi:Undervands WiFi udviklet ved hjælp af LED'er og lasere