水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)多點(diǎn)通信系統研究
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水下聲學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)重要用途是對水下傳感器節點(diǎn)所覆蓋的區域進(jìn)行中長(cháng)期的水下預警、目標檢測、海洋水文環(huán)境要素監測等；同時(shí)，在未來(lái)多基地和舷外分布式傳感器系統構成的龐大的反潛戰網(wǎng)絡(luò )中，水下數據通信是關(guān)鍵，而水下傳感網(wǎng)承擔著(zhù)探測、數據通信的重要使命。所謂的水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)就是在一定的水下區域內，通過(guò)各種傳感器節點(diǎn)獲取水下信息，并對水下節點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)通信和組網(wǎng)，最終通過(guò)特定的節點(diǎn)，重新以無(wú)線(xiàn)電和有線(xiàn)的形式把在覆蓋區域中所獲取的信息納入岸上的常規網(wǎng)絡(luò )，并發(fā)送給觀(guān)察者的水下子網(wǎng)。
由于水聲信道的傳輸條件十分惡劣，特別是淺海水聲信道，信道的帶寬有限，取決于距離和頻率，在這種有限的帶寬內，聲信號受強環(huán)境噪聲，時(shí)變多徑的影響，可能會(huì )導致嚴重的碼間干擾(ISI)、大的多普勒頻移擴展及長(cháng)的傳輸時(shí)延。另外，無(wú)線(xiàn)電磁波和光波在水中的衰減非常大，無(wú)法實(shí)現遠程傳輸。所以，在設計水聲傳感網(wǎng)時(shí)可以借鑒無(wú)線(xiàn)電組網(wǎng)技術(shù)，但是還要考慮水聲信道的特點(diǎn)。
1 水下無(wú)線(xiàn)多點(diǎn)通信系統
1．1 系統的總體構架
基于水聲信道的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到頻域上相鄰點(diǎn)的間隔必須大于信道的相干帶寬，所以采用FSK調制方式的跳頻通信來(lái)實(shí)現。與陸地上的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )結構一樣，水聲傳感網(wǎng)的拓撲結構可分為兩大類(lèi)：一種是小規模網(wǎng)絡(luò )中采用典型的星型結構；另一種，大規模、多節點(diǎn)、分散密集的環(huán)境中，組建的分布式對等網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
該設計實(shí)現的是小規模網(wǎng)絡(luò )，采用星型結構，由一臺PC機，一個(gè)主節點(diǎn)、多個(gè)分節點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò )系統。一臺和Internet網(wǎng)絡(luò )連接的PC機是網(wǎng)絡(luò )的監控中心，由主節點(diǎn)來(lái)廣播信息實(shí)現數據傳輸與命令控制，終端設備直接受控于主節點(diǎn)，構建的水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，系統如圖1所示。
1．2 水下無(wú)線(xiàn)多點(diǎn)通信系統的通信協(xié)議
為了水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )能穩定、無(wú)誤碼地完成命令發(fā)送和數據傳輸，也需要通信協(xié)議來(lái)保證其可靠性。結合水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的需求，在此分別定義PC機到節點(diǎn)下行的發(fā)送數據通信協(xié)議，節點(diǎn)到PC機的上行接收數據通信協(xié)議兩種不同的通信協(xié)議。
開(kāi)始符 用“％”的ASCII碼表示數據幀頭。
從機編號 用0～99表示命令是要控制第幾個(gè)分節點(diǎn)。0編號作為廣播式設定，即如果是0編號，則水面中繼器向各水聲通信從機群發(fā)送控制信息。
控制命令 設定從節點(diǎn)需要處理的動(dòng)作類(lèi)型編號，控制指令的編號對應水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)分節點(diǎn)采取不同的控制操作。
結束符 用“MYM”的ASCII碼表示數據幀尾。
(2)接收數據的通信協(xié)議
開(kāi)始符 采用“％”的ASCII碼表示數據幀頭。
從機編號 當前回送的數據來(lái)自水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的分節點(diǎn)編號。
數據類(lèi)型 表示所傳輸的數據代表的含義。
數據內容 具體監測到的數據。
結束符 采用“MYM”的ASCII碼占表示數據幀尾。
2 通信節點(diǎn)的系統設計
在水下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )里有兩種設備：主節點(diǎn)和分節點(diǎn)。主節點(diǎn)主要負責各項監測任務(wù)的下達和數據等反饋信息的簡(jiǎn)單聚合與處理，是其余各節點(diǎn)與主控制PC機之間連接溝通的橋梁；分節點(diǎn)主要負責搜集傳感器或者接口設備的測量數據，并直接向主節點(diǎn)反饋?lái)憫盘柣驍祿?。PC機和主節點(diǎn)之間的通信是通過(guò)RS 232實(shí)現的，而主節點(diǎn)和各節點(diǎn)之間的通信是通過(guò)水聲換能器實(shí)現。
2．1 系統硬件結構
系統硬件結構如圖2所示。
從圖2可以看出，上位機控制系統通過(guò)主節點(diǎn)完成對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的控制。系統控制核心為凌陽(yáng)SPCE061A微處理器。它是凌陽(yáng)科技推出的一款16位結構的微控制器。其功耗小，系統處于備用狀態(tài)(睡眠狀態(tài))時(shí)的耗電僅為2μA／3．6 V；內置2 KWorldSRAM和32 KWord的FLASH；2個(gè)16位可編程定時(shí)器／計數器；2個(gè)10位數／模轉換(DAC)輸出通道；2個(gè)16位通用可編程輸入／輸出端口IOA和 IOB；豐富的中斷資源：定時(shí)器A／B中斷、時(shí)基中斷、2個(gè)外部中斷以及觸鍵喚醒中斷；7通道1O位電壓模／數轉換器(ADC)和單通道聲音模／數轉換器；通用異步串行輸入／輸出接口UART；可通過(guò)鎖相環(huán)PLL振蕩器選擇系統時(shí)鐘信號；低電壓復位功能和低電壓檢測功能；WatchDog功能等。與其他單片機相比，SPCE061A是一款資源豐富、功能強大、集成度高的微控制器，采用此款單片機作為該系統的微控制器具有較高的性?xún)r(jià)比。
2．2 軟件工作流程
主節點(diǎn)初始化后，系統常態(tài)處于等待接收PC機發(fā)送已準備好的信息或其他監控命令，收到數據后調用發(fā)送程序把收到的信息加上同步頭向相應的分節點(diǎn)發(fā)送。其軟件流程如圖3所示。
在收到PC的信息后，MCU首先將信息存儲，當所有的數據都接收完以后，將數據打包并按跳頻圖案發(fā)送，在經(jīng)過(guò)信號調理模塊的處理之后最后通過(guò)換能器將信號發(fā)送出去。
2．3 節點(diǎn)電源系統
系統中用到了MCU、運算放大器和多種IC電路，因此需要5路穩壓電源。電壓幅度的跨度從直流-12～12 V．輸出給各路負載的電流參差不齊，所以電源系統的設計對于節點(diǎn)穩定工作起著(zhù)重要的作用。在這里為了實(shí)現單電源為系統供電，所以要實(shí)現電壓的轉換。實(shí)現電壓轉換功能的電路有兩大類(lèi)，一類(lèi)是開(kāi)關(guān)型穩壓電路，它利用自激勵或他激勵方法產(chǎn)生高頻開(kāi)關(guān)電流，用非線(xiàn)性?xún)δ茉?如電感)再次轉換成直流，這類(lèi)轉換可以分為升壓型的、降壓型的和隔離型的。早先是用分立元件實(shí)現DC／DC電壓轉換，目前已經(jīng)有各種性能較好的專(zhuān)用IC來(lái)完成電路的控制和轉換功能。另一類(lèi)是線(xiàn)性穩壓電路，現在已經(jīng)發(fā)展到LDo(LowDrop Outregulator)，LDO是一種低壓差線(xiàn)性穩壓器。線(xiàn)性穩壓器使用晶體管或FET運行在其線(xiàn)性區域內，從輸人電壓中減去超額部分的電壓，其壓差由晶體管的管壓降分擔，從而產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調節后的額定輸出電壓。根據以上所述要實(shí)現單電源供電不緊需要升降電壓還需要實(shí)現正負電壓的轉換，如果電源轉換全部采用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現，將得到很高的效率，但也使高頻電磁波的干擾增大。同時(shí)考慮到系統對電流的要求，在這里采用開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性穩壓電源相混合的結構。其中小電流負載的轉換采用線(xiàn)性穩壓和LDO實(shí)現，正負電壓和大電流負載的轉換采用開(kāi)關(guān)電源實(shí)現。電源系統框圖如圖4所示。
3 系統管理程序設計
PC機和主節點(diǎn)之間的通信是通過(guò)RS 232串口實(shí)現的，通信波特率9 600 b／s，為了能夠同計算機接口和終端的TTL器件鏈接，必需進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換，采用MAX 232芯片就可以實(shí)現TTL到EIA雙向電平轉換。PC機主控系統實(shí)現對主節點(diǎn)的控制和傳感信息的獲取、顯示。所以主控系統界面應當包括節點(diǎn)的控制面板、顯示窗口兩大部分，如圖5所示。
控制面板中給出了要發(fā)送信息的節點(diǎn)號的選擇，在輸入節點(diǎn)號之后，按下發(fā)送按鈕主控系統就會(huì )通過(guò)主節點(diǎn)向相應的節點(diǎn)發(fā)送信息。節點(diǎn)在收到信息后執行相應的指令并反饋信息給PC。
4 結 語(yǔ)
這里介紹以高性能16位單片機為控制核心，采用跳頻通信的方式實(shí)現水下多點(diǎn)通信系統。該系統具有傳輸數據可靠、界面友好、可擴展性強。在水池試驗中取得了滿(mǎn)意的效果。
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