基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的海洋水環(huán)境監測系統的設計

引言
近幾年來(lái)，隨著(zhù)海洋事業(yè)的迅速發(fā)展，海洋環(huán)保已經(jīng)提上議事日程。因此，海洋水環(huán)境監測成為人們越來(lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監測、目標定位等領(lǐng)域，能夠實(shí)時(shí)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍內的對象信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。它具有覆蓋區域廣，可遠程監控，監測精度高，布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點(diǎn)。把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到海洋水環(huán)境監測系統中，是人們近幾年來(lái)研究的焦點(diǎn)。
Zigbee與其他的無(wú)線(xiàn)通信標準相比，適用于吞吐量較小，網(wǎng)絡(luò )建設投資小，網(wǎng)絡(luò )安全性高，不便于頻繁更換電源的場(chǎng)合。在工業(yè)控制領(lǐng)域利用傳感器基于Zigbee技術(shù)組成傳感器網(wǎng)絡(luò )，可以使得數據采集和分析變得方便和容易。Zigbee網(wǎng)絡(luò )用于傳感網(wǎng)絡(luò )的組建很重要的一點(diǎn)在于它的低功耗，其發(fā)射功率僅為0～3．6dBm；它的通信距離可達30～70m，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，可以自動(dòng)地對自身的發(fā)射功率進(jìn)行調整，可以在保證通信鏈路質(zhì)量的前提下最小地消耗能量。網(wǎng)絡(luò )功能是Zigbee最重要的特點(diǎn)，也是與其它無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準不同的地方。在網(wǎng)絡(luò )層方面，Zigbee的主要工作在于負責網(wǎng)絡(luò )機制的建立與管理，并具有自我組態(tài)與自我修復功能。
IEEE802．15．4規范是一種經(jīng)濟、高效、低數據速率(250kb／s)、工作在2．4GHz和868／928MHz的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802．15．4負責物理層和鏈路層標準。完整的zigBee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、以及數據鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結構如圖l所示。

1 傳感網(wǎng)絡(luò )的構成
本文設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組成包括傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，主要負責探測海洋區域內的各種情況，包括油污檢測、濁度測量、化學(xué)需氧量測量、海藻測量等等。
傳感器節點(diǎn)主要負責網(wǎng)絡(luò )的形成，海洋各項參數的采集，并將數據通過(guò)多跳的形式傳輸到匯聚節點(diǎn)。
匯聚節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)，負責網(wǎng)絡(luò )的發(fā)起，拓撲的形成與維護，網(wǎng)路數據的匯聚與處理，與監控系統的通信與信息交互。匯聚節點(diǎn)是傳感器節點(diǎn)終端節點(diǎn)中能力較強的一種。
網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)接收來(lái)自其他節點(diǎn)的數據，并對數據進(jìn)行校正、融合等處理，然后發(fā)送給監測中心。對于監測中心所發(fā)指令進(jìn)行相應處理，用來(lái)確定各個(gè)節點(diǎn)的工作狀態(tài)。
后臺監測中心負責對發(fā)送回來(lái)的海洋參數數據進(jìn)行匯總與處理，網(wǎng)絡(luò )拓撲的控制，網(wǎng)絡(luò )的監護等工作。
整個(gè)海洋監測系統由一定數量的傳感器網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)、少量匯聚節點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)以及后臺監測系統組成。為了探測一定區域，需要在該區域內布置一定數量的傳感器節點(diǎn)，以達到對整個(gè)區域的覆蓋，并且需要一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)完成對來(lái)自傳感器終端的數據的融合，上傳給后臺監測系統，完成數據的分析與處理。從網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)到監控中心距離一般都比較遠，可采用現有的GPRS網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程數據傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò )連接費用相對低廉，傳輸速率較高，性?xún)r(jià)比較高，而且能夠永遠在線(xiàn)。傳感網(wǎng)絡(luò )結構示意圖如圖2所示。

傳感器終端節點(diǎn)與匯聚節點(diǎn)能夠自動(dòng)形成一個(gè)自組織、多跳的網(wǎng)絡(luò )。傳感器終端節點(diǎn)按指令采集數據，并將數據及時(shí)地通過(guò)自適應的路由、多跳中繼后傳輸給網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將匯集的數據打包后，轉發(fā)給后臺監控系統。

2 硬件設計
本海洋監測系統中的傳感器節點(diǎn)是傳感網(wǎng)絡(luò )中最重要的部分，其硬件包括微處理器單元、一個(gè)zigbee通信模塊及電源管理模塊；匯聚節點(diǎn)硬件包括微處理器單元、兩個(gè)Zigbee通信模塊及電源管理模塊；網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)硬件包括微處理器單元、一個(gè)Zigbee通信模塊、一個(gè)GPRS模塊及電源管理模塊。
2．1 節點(diǎn)微處理器MSP430F149單片機
由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)需要將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，可選擇一款集成有AD轉換功能的微控制器。另外，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)除完成數據采集功能外，還要完成數據轉發(fā)和路由功能，因而要有足夠的處理能力、程序空間及數據空間。本設計MCU采用的是MSP-430F149單片機，它是TI公司生產(chǎn)的一種16位超低功耗混合信號處理器，稱(chēng)之為混合信號處理器，主要是由于其針對實(shí)際應用需求，把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。其突出優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗。由于為FLASH型，所以可以在線(xiàn)對單片機進(jìn)行調試和下載程序。
MSP430F149低頻輔助時(shí)鐘采用32kHz時(shí)鐘晶振直接驅動(dòng)，可作為后臺實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現自喚醒功能。集成的高速數字控制振蕩器(DCO)頻率為8MHz，可作為CPU的主系統時(shí)鐘(MSLK)源，也可以作為CPU的子系統時(shí)鐘(SMCLK)源。