Datenübertragung unter Wasser - Videostream

[Florian (florian_pf)]

Guten Tag,

ich bin noch relativ neu im Thema Elektronik und habe folgende 
Problemstellung: Ich möchte gerne in 10-15 Meter Tiefe im Salzwasser 
eine Kamera betreiben und das Video-Bild oberhalb der Wasseroberfläche 
auf dem Handy ansehen können. Ich dachte dabei an eine Kugel, in der die 
Kamera wasserdicht verpackt ist. Die Frage ist nur, wie das Signal nach 
oben kommt. Licht- und Ultraschall scheiden zur Datenübertragung nach 
meinen bisherigen Recherchen aus, da durch Wellen usw. es sicherlich so 
sein wird, dass der Sender den Empfänger nicht zuverlässig erreichen 
kann.
Ich hatte an folgende Varianten gedacht:

Variante 1:
Mit der Kamera zusammen wird ein Mikrocontroller und ein Akku in der 
Kugel installiert. Der Mikrocontroller hat ein BLE-Modul, dessen Antenne 
dann bis an die Wasseroberfläche verlängert wird und dort von einem 
Schwimmer gehalten wird. Wichtigste Fragen dazu: Kann man Antennen 
überhaupt durch Salzwasser verlängern, und gibt es eine maximale Länge, 
über die da möglich ist?

Variante 2:
Der Mikrocontroller und der Akku sind in dem Schwimmer untergebracht. In 
diesem Fall müsste das Kamerakabel von der Wasseroberfläche bis zur 
Kamera in 10-15 Metern Tiefe verlängert werden.

Welche Möglichkeiten gibt es, die jeweiligen Signale zu übertragen? Ich 
habe gesehen dass die meisten Kameras mit einem Flachbandkabel oder 
USB-Kabel betrieben werden, das könnte dann etwas aufwendig werden über 
so große Entfernungen. Vielleicht gibt es ja elegantere Möglichkeiten, 
das Videosignal von unten nach oben zu übertragen, ggf. auch unter 
Einsatz eines weiteren Controllers, der das Signal in was auch immer 
umwandelt und den Transport dann einfacher macht. Die Anzahl der Frames 
und die Auflösung sind nicht so entscheidend, es muss nicht in HD mit 
30fps laufen.
Freue mich auf Eure Ideen!

Viele Grüße

Florian

[Michael P. (mipo)]

Das einzige was geht ist Variante 2, Kabel bis zur Oberfläche und dann 
drahtlos. Alles andere geht aufgrund der Dämpfung im (Salz-)Wasser 
nicht.

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Glasfaserkabel? Funk unter Wasser hat keine große Reichweite, getauchte 
U-Boote benutzen Langwellen nur um einen Auftauchbefehl zu erhalten, um 
dann z.B. über Satellit schnellere Verbindungen aufzunehmen.
https://de.wikipedia.org/wiki/L%C3%A4ngstwelle#Kommunikation_mit_U-Booten

[Frank O. (frank_o)]

Selbst wenn das mit Funk bis über Wasser ginge, dann wäre es unter 
Wasser für Video viel zu langsam.
Die Übertragungsraten unter Wasser sind sehr gering.
Auch das Militär hat es noch nicht geschafft die physikalischen Grenzen 
zu überwinden.

[Florian (florian_pf)]

Michael P. schrieb:
> Das einzige was geht ist Variante 2, Kabel bis zur Oberfläche und dann
> drahtlos. Alles andere geht aufgrund der Dämpfung im (Salz-)Wasser
> nicht.

Danke. Was wäre dann das "einfachste" Kabel das ich dafür verwenden 
kann? USB, Flachband, LAN (z.B. von Controller zu Controller)? Ginge das 
auch irgendwie mit einem oder zwei GPIO-Kabeln?

Glasfaser => kann das leicht beschädigt werden wenn man das öfter 
aufrollen muss?

Neben der Kamera müsste natürlich auch noch eine Lichtquelle (LED-Ring 
o.ä.) angesteuert und mit Strom versorgt werden.

Viele Grüße
Florian

[S. Z. (moennky)]

U-Boote haben eine Eindraht-Verbindung zu ihren abgeschossenen Torpedos 
gehabt, um diese zu steuern. Aus dem gleichen Grund.

[Frank K. (fchk)]

Florian schrieb:
> Michael P. schrieb:
>> Das einzige was geht ist Variante 2, Kabel bis zur Oberfläche und dann
>> drahtlos. Alles andere geht aufgrund der Dämpfung im (Salz-)Wasser
>> nicht.
>
> Danke. Was wäre dann das "einfachste" Kabel das ich dafür verwenden
> kann? USB, Flachband, LAN (z.B. von Controller zu Controller)? Ginge das
> auch irgendwie mit einem oder zwei GPIO-Kabeln?

Für Dich das einfachste ist eine LAN-Kamera, die per PoE (Power Over 
Ethernet) versorgt wird. Solche Kameras gibts fertig zu kaufen, entweder 
aus dem Überwachungsbereich oder aus der Industrie. Die musst Du nur 
druckfest einpacken. Für Überwachungskameras gibts dann auch gleich 
passende Apps etc.

Ethernet-Kabel gibts auch für den Außenbereich (Erdkabel etc). Das wird 
wohl nicht ewig halten, aber es ist deutlich günstiger als mögliche 
Spezialkabel.

Seewasser ist echt korrosiv. An den Steckern nicht sparen. Normales RJ45 
kannst Du vergessen, besser M12 X-kodiert, möglichst in Edelstahl.

Glasfaser ist in entsprechenden Kabeln verpackt auch robust. Großer 
Vorteil ist die größe zulässige Länge, aber bei 15m ist normales 
Ethernet auch ausreichend.

fchk

[Jens D. (jens)]

Wie wäre es ein WLAN unter Wasser bereit zu stellen mit einer Antenne 
über ein Kabel an einer Boje verbunden?

[Rainer W. (rawi)]

S. Z. schrieb:
> U-Boote haben eine Eindraht-Verbindung zu ihren abgeschossenen Torpedos
> gehabt, um diese zu steuern. Aus dem gleichen Grund.

Du vergisst dabei, dass Torpedos im Salzwasser schwimmen. Der eine 
Kupferdraht ist isoliert und als Rückleiter dient das ausgesprochen gut 
leitende Meerwasser. Es handelts sich also elektrisch betrachtet um eine 
zweiadrige Leitung.

[Wolf17 (wolf17)]

Die Hauptprobleme sind mit LAN Kamera und PoE ja gelöst.

Wie wird die Kamera unter Wasser ausgerichtet, motorisch in der Kugel 
oder Taucher?
Wie wird die Kugel in Position gehalten, der Schwimmer zerrt ja am 
Kabel.
Entfeuchtungsmittel mit Indikator einbauen.
Schon ausprobiert, ob die durch die Kugel gebildete konkave Wasserlinse 
auf das Bild wirkt oder egal ist?
Die Beleuchtung muss ausserhalb der Kugel montiert werden, sonst gibt es 
viel Streulicht auf die Kamera.
Einfacher A2 Edelstahl korrodiert im Salzwasser, oder hat alles nur kurz 
Wasserkontakt?

[Rainer W. (rawi)]

Wolf17 schrieb:
> Wie wird die Kugel in Position gehalten, der Schwimmer zerrt ja am
> Kabel.

Dann ist mit dem Kabel etwas falsch konzipiert.

Das Kabel muss über der Drehachse nach oben herausgeführt sein und die 
Dichte von Wasser besitzen (auftriebsneutral).
:
> Schon ausprobiert, ob die durch die Kugel gebildete konkave Wasserlinse
> auf das Bild wirkt oder egal ist?

Durch die Kugel ergibt sich eine  zusätzliche negative Brennweite. Die 
kann man einfach ausrechnen und durch eine Vorsatzlinse kompensieren. 
Die Kamera sollte senkrecht durchgucken, sonst gibt es einen Knick in 
der Blickrichtung. Meist wird wegen besserer optischer Oberflächen ein 
vernünftiges, planes Fenster eingesetzt.

Wolf17 schrieb:
> Die Beleuchtung muss ausserhalb der Kugel montiert werden, sonst gibt es
> viel Streulicht auf die Kamera.

Schon Spiegelungen aus dem Inneren der Kugel will niemand haben, d.h 
alles was die Kamera als Spiegelung in der Kugel/Fenster sieht, muss 
sich im Dunkeln befinden.

[Stephan R. (Firma: FHK) (nautosteer)]

Florian schrieb:
> Licht- und Ultraschall scheiden zur Datenübertragung nach
> meinen bisherigen Recherchen aus


Sowohl mit Licht...

https://www.pressetext.com/news/na-20200924002.html

... als auch mit Ultraschall...

https://www.kongsberg.com/discovery/navigation-positioning/cnode-modems/cnode---modem-minis/

...gibt es wunderbare in der Meeresforschung eingesetzte Produkte zur 
Datenübertragung in große Tiefen. Vielleicht hat der Chinese da 
mittlerweile eine Billig-Kopie bei Amazon?


Ansonsten würde auch eine PoE Übertragung mittels Zweidraht-Modem gehen. 
Kannste jede beliebige PoE Kamera anschließen:

http://www.wantec.de/spezialloesungen/2wip-netzwerk-ueber-2-draht/2wip-c-serie-ethernet-ueber-2-draht.html

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Es gibt ein IR Fenster des Wassers. Ggf reicht das. Aber vermutlich ist 
das auch nicht durchsichtiger als Licht.

[Rainer W. (rawi)]

Dieter D. schrieb:
> Es gibt ein IR Fenster des Wassers

Und das soll bei welcher Wellenlänge genau liegen?
Wie soll das funktionieren?
(Transmissionsspektrum)

[Michael B. (laberkopp)]

Florian schrieb:
> Welche Möglichkeiten gibt es, die jeweiligen Signale zu übertragen

Du hast schon richtig begriffen, dass Funk unter Wasser nicht 
funktioniert und legst ein Kabel bis zur Oberfläche.

Klug.

Ob über das Kabel nun die Kamerasignale oder die Funksignale gehen, ist 
technisch egal, es muss halt das geeignete Kabel sein.

Kameras die über SPI oder LVDS angeschlossen sind haben geringere 
erlaubte Kabellängen als diejenigen die über Koax-Kabel angeschlossen 
sind. Ein Antennenkabel mit 15m ist aber auch kein Problem. Auch dabei 
könnte ein Antennenverstärker in der Boje versorgt werden durch Phantom 
Power, wird aber nicht nötig sein.

[Florian (florian_pf)]

Wolf17 schrieb:
> Die Hauptprobleme sind mit LAN Kamera und PoE ja gelöst.
>
> Wie wird die Kamera unter Wasser ausgerichtet, motorisch in der Kugel
> oder Taucher?
> Wie wird die Kugel in Position gehalten, der Schwimmer zerrt ja am
> Kabel.
> Entfeuchtungsmittel mit Indikator einbauen.
> Schon ausprobiert, ob die durch die Kugel gebildete konkave Wasserlinse
> auf das Bild wirkt oder egal ist?
> Die Beleuchtung muss ausserhalb der Kugel montiert werden, sonst gibt es
> viel Streulicht auf die Kamera.
> Einfacher A2 Edelstahl korrodiert im Salzwasser, oder hat alles nur kurz
> Wasserkontakt?

Hallo Wolf,

alles gute Fragen, ich bin leider noch ziemlich am Anfang. Aber der Tipp 
mit der PoE-Kamera war in der Tat sehr gut, ich denke das ist die 
Richtung in die es gehen wird.
Die Kamera soll mit einer Kette/Schnur mit ca. 1 Meter Länge an einen 
Anker gebunden werden. Dieser hält die Kugel an Ort und Stelle, 
natürlich mit etwas Ablenkung durch den Schwimmer an der Oberfläche.
Der Kontakt im Wasser ist jeweils für einige Stunden am Stück gedacht, 
danach kann alles gereinigt und getrocknet werden.

Viele Grüße

Florian

[Chris V. (nagut)]

Rainer W. schrieb:
> Dieter D. schrieb:
>> Es gibt ein IR Fenster des Wassers
>
> Und das soll bei welcher Wellenlänge genau liegen?
> (Transmissionsspektrum)

Das fand ich auch interessant, weil ich es vorher noch nie gehört hatte.
Ein schneller erster Fund:
https://lehrerfortbildung-bw.de/u_matnatech/astronomie/gym/weiteres/wis/workshop7/rotlichtlampe_wasser.pdf

...demnach gibt es einige deutliche Schwankungen im IR-Bereich, aber das 
alles ist viiiiel schlechter (4..5 Zehnerpotenzen) als sichtbares Licht. 
-> wenn mit Licht, dann mit blauen LEDs. Bei der geringen Tiefe könnte 
das noch klappen.

[Wolf17 (wolf17)]

Florian schrieb:
> Die Kamera soll mit einer Kette/Schnur mit ca. 1 Meter Länge an einen
> Anker gebunden werden. Dieser hält die Kugel an Ort und Stelle,
> natürlich mit etwas Ablenkung durch den Schwimmer an der Oberfläche.
Wie soll die Kameraausrichtung erfolgen?
Soll alles am Grund liegen, oder tanzt es in der Strönung und wenn der 
Bojenschwimmer im Wellengang am Kabel reißt?

Vorschlag: Dreibein mit Bleifüßen und Kamera im druckdichten 
Tauchergehäuse mit Planglasscheibe und Aussen-LED.
Idealerweise vor den Einsatz mit trockener Luft (aus 200Bar 
Tauchflaschen) unter Innendruck setzen (~2bar?). Dann sieht man Lecks 
beim untertauchen auch gleich an den Blasen und nicht erst nach Stunden, 
wenn alles teuer abgesoffen ist.

[Crazy Harry (crazy_h)]

Selbst das Ding hat ne 70m Kabeltrommel und kann 30m tief runter.

[Michael P. (mipo)]

Auf Amazon und ähnlichen gibt es fertige Unterwasser-Videokammeras mit 
Kabel. Dann braucht die Boje nur noch Batterie und Funk-Umsetzer. Frage 
ist die Langzeithaltbarkeit/ Dauereinsatz...
Du kannst auch versuchen, eine alte, große Tauchlampe (DEV Pein/Blase 
etc) als Gehäuse zu nutzen (zb
https://www.kleinanzeigen.de/s-anzeige/kowalski-tauchlampe-incl-ladegeraet-defekt/2767737265-84-303) 
Die finden sich auf Kleinanzeigen manchmal super günstig. Und dann die 
Kamera dort einbauen.

[Fritz G. (fritz65)]

Florian schrieb:
> Danke. Was wäre dann das "einfachste" Kabel das ich dafür verwenden
> kann? USB, Flachband, LAN (z.B. von Controller zu Controller)? Ginge das
> auch irgendwie mit einem oder zwei GPIO-Kabeln?
>

Das Einfachste wäre eine analoge Videoübertragung (FBAS) über ein 
Koaxialkabel zur Oberfläche. Man könnte eine klassische 
Überwachungskamera nehmen, die entweder per Akku oder eine zusätzliche 
DC-Leitung mit Strom versorgen. DC-Power über das Videokabel sollte auh 
gehen, erfordert aber ein Auskopplungsfilter. An der Oberfläche dann 
Digitalsierung und Senden per Funk an die Empfangsstation. Da die 
Bandbreite nur weinge MHz beträgt, sind Kabellängen bis über 100m kein 
Problem. Da der Aussenraum des Koaxkabels weitgehend feldfrei ist, 
spielt das umgebende Medium keine entscheidende Rolle.

Allerdings ist die Bildqualität bei FBAs natürlich recht mau. Höhere 
Auflösungen erreicht man z.B. mit HD-SDI:

https://de.wikipedia.org/wiki/Serial_Digital_Interface
Die Technik ist aber ganz erheblich teurer. Was für eine 
Kamerauflösung/Bildfrequenz ist denn gefordert?

[Florian (florian_pf)]

Fritz G. schrieb:
> Was für eine Kamerauflösung/Bildfrequenz ist denn gefordert?

Wie gesagt, die Bildfrequenz ist unwichtig, da reicht im Notfall sogar 1 
Bild pro Sekunde. Eine Full-HD Auflösung wäre super, es sollte 
mindestens HD-Ready sein.

Viele Grüße

Florian