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海洋信息复杂而多样，需构建由岸基、海面、水下、空中、天基等多维感知平台及其搭载的多类别传感器组成的海洋综合感知体系，通过多种感知平台的协同与多种传感器的综合运用，实现空海目标态势实时监视、海洋环境多要素获取等多种海洋业务需求。
海洋综合感知是研究海洋、开发海洋、利用海洋的基础，是以观测海洋现象、探测海洋目标为主要目的，利用声、光、电、磁等传感器及其平台，对海洋环境的物理、化学、生物等参数进行感知和分析的一系列技术的统称。海洋综合感知作为海洋科学和技术的重要组成部分，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用，也是一个国家综合国力的重要标志。
早在20世纪80年代中期，海洋发达国家就相继出台海洋科技与开发战略，进入21世纪后，国际政治、经济、军事围绕着海洋活动发生了深刻的变化，在新的海洋战略及军事需求牵引下，各国相继调整战略，进一步加大了对海洋观测领域的投入。目前全球海洋观测探测计划主要包括：热带海洋和全球大气计划（TOGA）、世界大洋环流实验（WOCE）计划、全球海洋观测网（ARGO）计划、西北太平洋海洋环流与气候实验（NPOCE）计划、全球海洋观测系统计划、国际深海大洋钻探计划（IODP）等。全球海洋观测探测网络，主要包括：美国海洋观测网（OOI）、加拿大海底观测网（ONC）、欧洲海底观测网（EMOS）、日本海底观测网（DONET和S-net）、中国国家海底科学观测网等 [19] 。全球海洋观测探测网络呈现区域与全球相结合，持久性业务化观测系统与科学观测试验计划相结合，科学考察船、沿岸台站、浮标、潜标、海床基、海底有缆网络、遥感卫星和通信网络等多种观测通信技术手段相结合的特点。通过统一、通用的数据标准整合各种观测手段进行协同工作，形成覆盖近岸、区域、全球海域的空天海地一体化观测探测网络。目前，建立多学科、分布式、网络化、互动式、综合性的智能立体观测网成为发展趋势。
根据海洋物联网应用服务需求，海洋感知对象重点关注海洋环境要素、海洋活动信息以及海洋资源信息等方面 [27] 。
海洋环境信息由海洋物理、化学、生物，以及海底地质、地形、地貌等多方面要素构成，其中海洋物理、海洋化学要素与海洋水文、气象、生态等紧密相关，以下详细介绍。
海洋环境物理要素包括海洋中的声、光、温度、密度、动力等现象，主要物理要素包括海水的温盐场、海流场、潮汐、海浪、透明度等。
温盐场包括海水温度、盐度和压力，是研究海水物理过程和化学过程的基本参数。对温盐场的观测，用的是电子式温盐深测量仪，船只走航测温常用投弃式深温计，空中遥感观测海水温度则用红外辐射温度计。
海流场是海水在大范围内相对稳定的流动，既有水平又有垂直的三维流动，是海水运动的普遍形式之一。海流观测相当困难，或用仪器定点测流，或用漂流物跟踪观测。定点测流是海洋观测中常用的办法，所用仪器有转子式海流计、电磁式海流计、声学海流计等，其中最流行的是转子式仪器。
潮汐是发生在沿海地区的一种自然现象，是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动。习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。岸边潮汐观测使用浮子式验潮仪，外海测潮采用压力式自容仪，大洋潮波的观测依靠卫星上的雷达测高仪。
海浪是指海洋中由风产生的波浪，主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。海浪观测仪器的品种比较繁杂，有各种形式的测波杆、压力式测波仪、光学原理的测波仪、超声波式测波仪，近年用得较多的是加速度计式测波仪。
透明度是海水能见度的一种量度，其影响因素有海水的颜色、水中的悬浮物质、浮游生物、海水的涡动、进入海水中的径流，以及天空中的云量等。观测仪器有透明度计、照度计等，用以观测海水对光线的吸收和海洋自然光场的强度。
海洋环境中最为主要的化学要素包括海水溶解氧和pH两个参数。
海水溶解氧是溶解在海水中的氧，是海洋生命活动不可缺少的物质。它主要来源于大气的溶解和海洋中藻类及浮游植物光合作用。海水中溶解氧含量与海水的温度、盐度有密切关系。水温、盐度升高，溶解氧含量下降；水温、盐度下降，溶解氧含量上升。海水中溶解氧含量具有周日变化和周年变化的特点。
海水pH是海水酸碱度的一种标志。海水由于弱酸性阴离子的水解作用而呈弱碱性。
海洋化学要素观测可采用船用多要素自动测定仪器。船用化学分析仪器的工作原理大致分两类：一类用传感器（主要为电极）直接测定化学参数；一类通过样品显色进行光电比色测定。目前，海水中的各种营养盐靠比色仪器测定，pH、溶解氧、氧化-还原电位等利用电极式仪器测定。
海洋生物种类繁多，包括海洋动物、海洋植物、微生物及病毒等，其中海洋动物包括无脊椎动物和脊椎动物。保持海洋生物的多样性是地球生态系统正常运转、人类活动正常运行的基础。
对于海水中的微生物，需采样后进行研究，采样工具主要有复背式采水器和无菌采水袋等。浮游生物采样器主要有浮游生物网和浮游生物连续采集器等。底栖生物采样使用海底拖网、采泥器和取样管等。游泳生物采样依靠渔网，观察鱼群使用声学鱼探仪等工具仪器。
海洋中的人类活动，称为海洋活动信息，主要包括商业活动、科研活动、军事活动等。获取和掌握各类海洋活动信息，是保障海洋安全、维护海洋权益、海上应急救援的基础。
海洋商业活动主要包括渔业活动和航运活动。
渔业活动包括海洋捕捞和海水养殖等，海洋渔业因离海岸的远近不同，可分为近海、外海、远洋渔业，近年来各种类型海洋牧场的建设推动了渔业活动的发展。大、中、小型功能各异的渔业船只，是海洋渔业活动的集中行为体现。
2022年由我国完全自主设计、研发、建造的世界首艘10万吨级智慧渔业大型养殖工船“国信1号”，在中国船舶集团青岛北海造船有限公司交付运营。养殖工船是我国捕捞型渔业与养殖型渔业的有机结合，成为移动的“海洋牧场”。从鱼苗入舱、投喂养殖到起捕、加工、运输，一座渔业养殖加工厂在一艘船上构建起来，这将养殖区域从近岸推向深远海，从传统经营模式转向大规模现代化工业生产。
海洋航运活动是海洋经济发展的重要支柱。15世纪以来航运业的蓬勃发展极大地改变了人类社会与自然景观。克拉克森数据报告显示，截至2021年2月1日，全球商船船队中100吉吨（1吉吨=109吨）以上各类型船舶数量超过10万艘。
随着信息化、智能化技术不断发展，智能船舶、智慧航运产业也在快速壮大。“大智”轮是基于“绿色海豚”（Green Dolphin）型38800吨散货船的智能升级船型，由中船黄埔文冲船舶有限公司、上海船舶研究设计院、中国船舶集团系统工程研究院、沪东重机股份有限公司等单位共同参与研制。该船安装了我国自主研发的全球首个能够自主学习的船舶智能运行与维护系统，能利用传感器、物联网、机器学习等技术手段，通过光纤网为智能系统高速传送数据，实现全船各系统及设备的信息融合及共享。
海洋科学考察船作为海洋科研活动的重要平台，是海洋能力建设的关键组成部分。随着我国综合国力不断提升，我国科考船的设计建造也已从跟随走到了引领世界的黄金期，新建、在建数量均居世界首位。这也使得我国海上资源开发、发展海洋经济及保护海洋生态环境的能力进一步加强。
我国海洋科学考察事业至今已走过60多年。“东方红”“向阳红”“远望”“海洋”“科学”“实验”等系列科考船相继问世，为我国海洋科学考察研究提供了强有力的保障，极大地提高了我国海洋事业的国际地位。我国新型深远海综合科学考察实习船“东方红3”船是我国自主创新研发和自主建造的新一代科学考察实习船，是国内首艘、世界第4艘获得船舶水下辐射噪声最高等级-静音科考级（Silent-R）证书的科考船，是世界上获得这一等级证书的排水量最大的海洋综合科考船。“科学号”系列海洋科考船是我国国内综合性能最先进的科考船，具备水体探测、大气探测、海底探测、深海极端环境探测以及遥感信息现场印证等长周期、立体交叉、综合同步探测的能力。
海洋空间是各国竞相争夺的新领地，世界各国正不断发展各类海洋军事装备。包括传统的海面舰船、潜艇，以及新型的海面无人艇、水下无人潜航器、水下机器人等，均已成为海洋军事活动的主体。
针对海洋商业活动、科研活动与军事活动等目标信息，利用岸基、海面、水下、空中、天基等多维海洋信息节点及其搭载的雷达探测、光电探测、电磁监测、声学探测、AIS与广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B）等手段，获取海洋空间空中、海面及水下等多域信息，形成空海目标态势，可用于海空民航交通管理、海洋航运管理、海上应急救援、海上安全管控等领域。
海洋物联网模式下的空、天、岸、海、水下多维协同感知，可实现空海目标的广域监视、识别与管控。例如空天遥感形成大范围海域遥感成像监视，海基雷达可对空海机动目标以及海上溢油等进行高精度探测识别，AIS与ADS-B能够对空中民用飞机和海面民用船舶进行跟踪识别等；水下声与非声多物理场联合探测能有效提高水下目标探测效率等。
海底蕴含了丰富的石油、天然气、可燃冰等资源，随着海洋经济发展，海上资源感知需求日益增加。海上资源勘探可利用物探船作业，例如物探系统用人工的方法产生地震波，研究地震波在地层中的传播过程和规律，再利用仪器记录下地震波被地层反射回地面上的反射波信号，根据仪器记录下来的资料信息，推断出地下地质情况，判断海底是否有油气资源等。
随着航天技术的快速发展，国际在轨运行的遥感卫星数量越来越多，卫星安装的有效载荷传感器类型也越来越多。美国和欧洲等海洋大国高度重视全球范围的海洋综合观测，相继建设多类型卫星观测平台相结合的全球性立体多维空间观测体系。卫星遥感技术的发展趋势整体上体现为卫星系统由单一系列向星座组网发展；卫星传感器由中高分辨率向高分辨率延伸，由单角度观测向多角度和立体测量跨越，由空间维向光谱维拓宽。
目前已发射的海洋卫星主要包括以可见光探测为主载荷的海洋水色卫星，如我国的HY-1A、1B水色卫星，美国的SeaWiFS、EOS/MODIS等；以海上动力参数探测为主载荷的海洋动力卫星系列，如Jason、HY-2系列；以海洋目标监视为主要目的的SAR载荷卫星，如我国的GF-3，加拿大的Radarsat，意大利的COSMO等；以及盐度卫星、静止轨道水色卫星等一些新型载荷的卫星。
海洋卫星遥感根据海洋业务应用可分为海洋环境卫星遥感和海洋目标监视。其中，海洋环境卫星遥感仪器主要有雷达散射计、雷达高度计、合成孔径雷达、微波辐射计，以及可见光/红外辐射计海洋水色扫描仪等 [28] ，可监测海面温度、海面动力高度、海面风场、海浪、海流、海洋水色、赤潮等海洋环境要素反演，海底地形、海岸带反演和海洋锋、中尺度涡等海洋中尺度现象特征参数反演等；海洋目标监视提供海面溢油、海面船只、台风监测等应用。海洋卫星遥感应用组成如图4-1所示。
图4-1 海洋卫星遥感应用示意图
近年来基于全球卫星导航系统反射（Global Navigation Satellite System-Reflection, GNSS-R）的海洋遥感应用快速发展，经地表反射的卫星导航信号在传统的定位和授时服务中被认为是一种多径误差源，可被作为一种新型的遥感信号源使用，由此产生了GNSS-R技术 [29] 。GNSS-R技术可用于海面测高、海面测风、海水盐度测量、海冰探测等，典型应用包括英国UK-DMC灾难探测卫星、美国CYGNSS飓风全球导航卫星系统、日本WNISAT-1R海冰观测卫星，以及欧盟PARIS-IOD海洋表面遥感卫星等。
空基感知利用航空平台机动性高、灵活性强、探测范围大等优势，实现对海洋环境和目标活动的精细化探测和信息实时传输。航空遥感主要采用飞机、气球、无人机等飞行器搭载激光测深仪、红外辐射计、侧视雷达、水文气象仪等传感器进行海洋环境探测，具有分辨率高、不受轨道限制等特点，可用于溢油和赤潮等突发事件的应急监测、资源监测等。海洋目标监视通过在固定翼飞机、直升机、无人机等航空平台上搭载雷达、光电等探测设备和通信中继等设备，实现对中低空目标、海面目标的快速探测，为海上维权执法、渔业监管等提供精确、实时的海空信息。
目前无人机广泛应用于航空遥感观测，具有续航时间长、机动灵活、高危区域探测、信息实时传输等优点。无人机航空遥感可采用中低空、高空、邻近空间等多种类型长航时无人机，按需挂载高清光电、成像多模雷达、海面风场激光雷达、波浪计等海洋应用载荷，形成海洋环境广域感知能力。例如，无人机载海洋SAR具备高空间分辨率的全天时全天候对海成像监视能力，微波海洋波浪计具备高时间分辨率的海上区域二维波浪谱监测能力，激光雷达具备对海面风场和三维地形测绘能力等。
海基观测以船舶、浮标、无人设备，以及海底观测设施等为观测平台，按需搭载多种类型传感器，获取丰富的海洋观测数据。
海洋观测船包括海洋测量船、海洋科考船和海洋物探船等多种类型，具有良好的机动性和大范围持续信息收集等优势，是获取广域海洋环境与海洋目标信息的重要载体。
海洋测量船按需搭载船载姿态仪、声学多普勒海流剖面仪、走航式温盐深剖面仪、船舶气象仪、海洋重力仪、海洋磁力仪、多参数水质分析仪、信息综合处理设备等获取海洋环境相关信息。目前，远洋渔船或货运船可作为志愿船，加装气象观测仪器设备，进行大范围的气象实时数据，包括风速、风向、气压、气温、大气湿度、海水表层温度和海流等的获取，为海洋气象预报、海洋物理模型计算、海洋防灾减灾提供实时的气象数据。
海洋科学考察船通常配备先进的海洋仪器以及卫星通信、导航系统，用于物理海洋学、海洋地质学、海洋生态与环境科学和海洋化学等综合考察与实验。
海洋物探船搭载物探系统，对海底蕴藏的石油、天然气、可燃冰等资源进行勘探。物探系统用人工的方法产生地震波，利用仪器记录地震波被海底地层反射回的反射波信号，计算推断出海底地质情况，判断海底是否有油气资源。
浮标具有灵活布放、长时间持续工作、海洋环境多要素感知、数据实时传输等特点，是海洋监测的重要手段。浮标设备组成一般包括浮标体、多功能传感器、数据采集预处理系统、浮标运行控制系统、供电系统、通信系统等，与其他观测平台相比能够在恶劣环境下，全天候、自动、长期、持续地从多方面、水下不同剖面对海洋环境的多种要素，如海流、温度、盐度、环境噪声等进行综合同步监测和实时数据传输[30，31]。
根据系泊方式不同，浮标可分为锚系浮标和漂流浮标两大类。锚系浮标根据系泊方式的不同分为单锚系泊浮标和三锚系泊浮标。漂流浮标根据工作深度的不同分为表层漂流浮标和次表层漂流浮标；表层漂流浮标一般由水帆、浮球和连接缆绳组成，布放于海面及海面下固定深度。次表层漂流浮标的浮体位于水下1000～2000米，测量相应深度的海流参数，Argo浮标就是典型的次表层漂流浮标，我国研制布放了使用北斗卫星导航系统进行通信和定位的Argo浮标。
根据使用目的不同，浮标又可细分为多种功能性浮标，例如，水文气象浮标能够实时测量近海水域水文资料并通过无线传输的方式进行数据回传；水质浮标能够连续实时检测海洋环境要素的变化；导航浮标利用导航通信卫星系统提供观测数据实时传输和导航服务；波浪浮标用于监测近海波高、波向和表层水温等；海啸浮标由水下单元和同步锚泊在海面的浮标组成，用于记录海啸数据并进行海啸预警；海冰浮标可实时监测冬季结冰或寒区海域的海洋信息等。
海洋环境的复杂性与危险性需要高度智能化的海洋环境观测载体。无人智能平台安全性高且搭载便捷，对于海洋资源调查、海洋生物及海洋环境变化监测、海底地形地貌勘测及深海开发等应用都有不可替代的作用。目前广泛使用的无人平台包括海面无人艇（USV）、水下无人航行器（UUV）等机动观测平台。随着水下观测需求的增长，水下无人航行器技术快速发展并得到广泛应用。根据工作模式不同，水下无人航行器又分为遥控潜水器（ROV）和自治式潜水器（AUV）。遥控潜水器一般不自带能源，实时可操作性较好，装备摄像机、成像声呐等传感器进行水下观测。自治式潜水器具备自主导航与控制能力，灵活机动性强，能够同时搭载多种声呐系统、传感器及摄像系统，配合自主化导航设备，无论何种海况和地形，皆可进行完全自主化海洋环境资料采集以及海域地形地质测绘调查。水下滑翔机（AUG）也可作为一种不同类别的AUV，集水下机器人技术与浮标技术于一体，以净浮力为驱动力，具有低能耗、远航程、自主行动力强等特点，可以实现较大范围、超长时间、垂直剖面连续的水下任务。
无人平台通信网络技术与智能化技术发展，推动了无人平台集群化协同应用。例如，在海洋目标信息获取中，海面无人艇和水下无人航行器搭载雷达、声呐等多传感器进行协同探测，可收集海洋活动目标数据，并实现数据自动融合，提供实时海洋目标态势。在海洋地形地质测量中，由多海面无人艇和多水下无人航行器构成的无人集群可协同作业，其中海面无人艇可集成多波束测深仪进行高精度海底地形测量，水下无人航行器可集成侧扫声呐、图像声呐、浅地层剖面仪、水下相机及多参数水质分析仪等，进行地质地貌测量。
海面无人艇、水下无人航行器等机动观测平台与浮潜标、海床基等固定平台在功能、特点、载荷、适用范围等方面存在差异和互补性，使得采用异构平台的组网应用成为海洋感知领域的发展重点。2006年欧盟启动了名为“未知环境下异构无人系统的协调与控制”（Coordination and Control of Cooperating Heterogeneous Unmanned Systems in Uncertain Environments）的技术研究，研究目的在于初步实现真正意义上的分布式智能作业系统，使得多水下（海面）无人机动平台能够在真实的海洋环境中进行协调作业，从而缩短多无人系统研究中理论到实践之间的差距。其主要内容包括异构无人系统集成指挥控制系统设计与开发，适用于异构水中无人系统的信息交互中间件设计，基于网络、无线网络、无线电、水声通信的信息交互体系结构设计，以及异构多无人系统在未知环境下的协调控制技术等。2009年11月，在葡萄牙塞辛布拉（Sesimbra）附近海域进行了多水下（海面）无人系统的协同作业海上试验，取得了较好的效果。2012年3月，由德国、法国、西班牙、葡萄牙、意大利相关研究机构共同承担的“自组织海洋机器人系统-逻辑连接的物理节点”（Marine Robotic Systems of Self-organizing, Logically Linked Physical Nodes）项目正式启动。该项目主要研究多海洋无人系统在海底地形起伏区域的自适应编队、高精度协同定位以及协同探测技术。重点解决复杂海底情况下的无人系统紧耦合作业问题，通过多无人系统的信息融合提高协同探测的精度。北约水下研究中心为该项目研究提供海面及水下通信系统支持，研究成果应用于港口警戒、反水雷和反潜作战[32，33]。
随着海洋科学技术发展，海洋环境观测范围从海面延伸到海底，目前已建成的海底观测网有加拿大海底观测网（NEPTUNE）、美国海底观测网（MARS）、欧洲海底观测网（ESONET）和日本海底观测网（DONET）等。
2009年，美国和加拿大联合在东北太平洋实施了海王星海底观测网络计划（NEPTUNE），建立了世界上第一个深海海底大型观测系统，围绕深海前沿的科学目标，设计和布设了独特的组网结构实施观测。整个观测系统包括五大海底节点，每个节点周围可连有数个接驳盒，水下接驳盒则通过分支光电缆与观测仪器和传感器相连。整个系统有100多个仪器和传感器连接在这些水下接驳盒上，可持续观测水层、海底和地壳的各种物理、化学、生物、地质过程，形成区域性的、长期的、实时的交互式海洋观测平台，能够在几秒到几十年的不同时间尺度上进行多学科的测量和研究。NEPTUNE是一个开放系统，通过互联网向全世界提供采集的数据。从2017年开始运行以来，数百个水下传感器实时或者近实时地向陆地实验室传输观测数据和图像，保存在其专门设立的数据管理和保存系统中。
岸基感知设施部署在近岸和岛礁等观测平台，一般包括岸基海洋环境观测站和雷达观测站。海洋环境观测站通过在港湾、陆源入海口等观测平台布设水文气象观测和水质在线监测台站等形成近海水文气象与生态环境观监测能力；雷达观测站通过布设雷达对近海目标、海浪、海流等进行综合探测。
海洋环境观测站通过多种传感器开展海洋水文、气象要素采集，实时自动采集潮汐、表层海水温度、表层海水盐度、海面风向、风速、雨量、温度、湿度、气压、能见度、云高、天气现象等参数。其配置设备包括风向风速传感器、温湿度传感器、气压传感器、雨量计、天气现象仪、激光测云仪、能见度仪、温盐深仪、室外高清高速球型网络摄像机、数据存储设备、太阳能电池板、公网通信与卫星通信设备等。
雷达观测站通常部署高频地波雷达和X波段测波雷达等。高频地波雷达是一种表层海流和波浪监测系统，可连续、长期获取大面积同步的海流、海浪及海面风场实况信息。X波段测波雷达能够实时、连续、大面积地监测量程范围内的波浪信息，如波高、波浪周期、波浪方向等，为预报减灾提供实时基础数据。北京海兰信数据科技股份有限公司研发的近海雷达网系统，以雷达、光电、AIS、GPS等为主要传感器，构成全天候实时处理、支持多传感器融合、多站点组网的立体化监控系统，实现对海上目标特别是海上极小目标（雷达截面积≥0.1平方米，目标高度≥1米）的全自动跟踪、探测，并通过与光电观察设备联动功能实现对目标的精确识别。近海雷达网系统为对海监测、执法、管理任务提供高度融合的实时海上态势认知信息，并具备溢油探测、海浪探测及导航避碰功能。
低轨道卫星系统一般是指多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型的卫星系统，其中卫星的分布称之为卫星星座。低轨道卫星可以用于对海观测探测，利用低轨道卫星容易获得海洋环境、海上活动高分辨率图像。低轨道卫星也用于地面/海面移动通信，卫星的轨道高度低使得传输延时短，路径损耗小。多个卫星组成的通信系统可以实现真正的全球覆盖，使频率复用更有效。蜂窝通信多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。
美国太空探索技术公司（Space X）开展的“星链（Starlink）”项目，已开始在太空搭建由多颗卫星组成的“星链”网络，并从2020年开始工作。在“星链”项目中，低轨卫星高分布性、灵活性、快速重构性等特点更加凸显。低轨卫星可搭载侦察、导航、气象等载荷，可在全球实施全天时无缝侦察和监视，使海洋活动、战场态势透明化；可提供覆盖全球的大带宽、高速率军事通信服务，构建起覆盖无人机、军民飞机、海面舰船、水下平台等强大指挥通信网；可显著提升定位精度和抗干扰能力，大幅提高卫星系统的作业能力。
随着低轨卫星星座的快速发展，海洋环境、海洋活动的观测数据量、数据精度将得到数量级的提升，这将有力提高海洋透明化、信息化和智能化水平 [34] 。
美国国防高级研究计划局开展“海洋物联网”项目，计划通过部署大量低成本、环保、智能化的海上浮标以组成分布式传感器网络，实现对大范围海洋区域的持续态势感知。项目共分两个阶段进行，第一阶段（2017—2019年）包括最初的浮标和数据处理方法的设计工作；第二阶段（2019—2021年）将对浮标进行改进和细化，最终实现1.5万个浮标的海上演示试验。浮标部署示意图如图4-2所示。
图4-2 美国DARPA海洋物联网浮标示意图 [22]
项目将重点研究两项关键技术，一是浮标硬件设计，二是浮标数据处理，即让浮标上的计算系统将原始数据整理转化为一个个信息包，通过卫星通信系统发送到岸上的云系统中；数据在云端需要被拆分、汇集，利用机器学习等数据分析算法，对采集到的海洋物理特性和海上活动情况进行解析，分析结果最终纳入图形图像展示系统中进行演示。浮标硬件的设计和开发需求主要包括以下几个方面 [35] 。
浮标设计采用生物安全材料，体积为0.0014立方米至0.0032立方米，质量为3.2千克至8.2千克。浮标配备一系列水上和水下传感器、低成本全球定位系统模块、天线、惯性测量单元（IMU）等。摄像机、软件定义无线电、射频探测器和水听器作为任务传感器被装在特定的浮标上，用于探测和跟踪飞机、船只等的航迹。
浮标通过太阳能电池板和/或碱性电池为传感器和搭载的电子设备提供电力。浮标的间歇、被动采样也可节约电力消耗。
海洋物联网系统采用鲁棒、相对低带宽的卫星通信系统传输信息。由于在一个集中区域中有大量浮标，每个浮标在消息长度和消息传递频率上都受到限制，因此整个系统需要根据优先级对传感器数据进行选择性传输，保证后续的数据分析工作。
浮标配有高度可靠的沉没机制，可由内部逻辑触发，也可由操作员下达的沉没指令触发。每个浮标需要对周围环境进行至少一年的监测，并在寿命耗尽之后安全地沉入海底。
浮标的设计和制造计划需满足大规模生产，单个浮标的目标成本是500美元。海洋物联网项目可使用低成本、异构的智能浮标来完成多种任务，实现价格可承受的海洋态势感知。
数据分析部分开发基于云计算的软件和分析技术来处理浮标的报告数据。云系统通过数据分析可以动态显示浮标的位置、自身状况和任务性能，处理海洋和气象模型的环境数据，还可以自动检测、跟踪和识别附近的船只，并确定海洋活动一些新的指标。与基于岸上或高宽度传感器不同，浮标传感器只传输必要的数据，而且在传输前会进行压缩。海洋物联网项目有三个不同的重点领域需要进行数据分析：直接应用传感器记录值，如浮标位置和环境/气象测量数据，用于对浮标本身的指挥和控制，可视化浮标的当前位置，并对浮标在未来的位置进行预测；传感器数据的推断，如测量和跟踪海洋环境中的物体（船只、飞机和海洋哺乳动物等）；数据挖掘、异常检测或已知现象的识别。