基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言
近幾年來，隨著海洋事業(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(jiān)測成為人們越來越關(guān)注的焦點(diǎn)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)定位等領(lǐng)域，能夠?qū)崟r地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的對象信息，并發(fā)送給觀察者。它具有覆蓋區(qū)域廣，可遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)測精度高，布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點(diǎn)。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，是人們近幾年來研究的焦點(diǎn)。
Zigbee與其他的無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比，適用于吞吐量較小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小，網(wǎng)絡(luò)安全性高，不便于頻繁更換電源的場合。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(shù)據(jù)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(dá)30～70m，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，可以自動地對自身的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)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)，也是與其它無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。在網(wǎng)絡(luò)層方面，Zigbee的主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理，并具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。
IEEE802．15．4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250kb／s)、工作在2．4GHz和868／928MHz的無線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802．15．4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。完整的zigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖l所示。

1 傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
本文設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)探測海洋區(qū)域內(nèi)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(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的形成，海洋各項(xiàng)參數(shù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過多跳的形式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。
匯聚節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起，拓?fù)涞男纬膳c維護(hù)，網(wǎng)路數(shù)據(jù)的匯聚與處理，與監(jiān)控系統(tǒng)的通信與信息交互。匯聚節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)中能力較強(qiáng)的一種。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、融合等處理，然后發(fā)送給監(jiān)測中心。對于監(jiān)測中心所發(fā)指令進(jìn)行相應(yīng)處理，用來確定各個節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。
后臺監(jiān)測中心負(fù)責(zé)對發(fā)送回來的海洋參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總與處理，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂?，網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護(hù)等工作。
整個海洋監(jiān)測系統(tǒng)由一定數(shù)量的傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)、少量匯聚節(jié)點(diǎn)、一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及后臺監(jiān)測系統(tǒng)組成。為了探測一定區(qū)域，需要在該區(qū)域內(nèi)布置一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到對整個區(qū)域的覆蓋，并且需要一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成對來自傳感器終端的數(shù)據(jù)的融合，上傳給后臺監(jiān)測系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的分析與處理。從網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到監(jiān)控中心距離一般都比較遠(yuǎn)，可采用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。GPRS網(wǎng)絡(luò)連接費(fèi)用相對低廉，傳輸速率較高，性價(jià)比較高，而且能夠永遠(yuǎn)在線。傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

傳感器終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)能夠自動形成一個自組織、多跳的網(wǎng)絡(luò)。傳感器終端節(jié)點(diǎn)按指令采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時地通過自適應(yīng)的路由、多跳中繼后傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將匯集的數(shù)據(jù)打包后，轉(zhuǎn)發(fā)給后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)
本海洋監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)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zigbee通信模塊及電源管理模塊；匯聚節(jié)點(diǎn)硬件包括微處理器單元、兩個Zigbee通信模塊及電源管理模塊；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件包括微處理器單元、一個Zigbee通信模塊、一個GPRS模塊及電源管理模塊。
2．1 節(jié)點(diǎn)微處理器MSP430F149單片機(jī)
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，可選擇一款集成有AD轉(zhuǎn)換功能的微控制器。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)除完成數(shù)據(jù)采集功能外，還要完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，因而要有足夠的處理能力、程序空間及數(shù)據(jù)空間。本設(shè)計(jì)MCU采用的是MSP-430F149單片機(jī)，它是TI公司生產(chǎn)的一種16位超低功耗混合信號處理器，稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，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，所以可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載程序。
MSP430F149低頻輔助時鐘采用32kHz時鐘晶振直接驅(qū)動，可作為后臺實(shí)時時鐘實(shí)現(xiàn)自喚醒功能。集成的高速數(shù)字控制振蕩器(DCO)頻率為8MHz，可作為CPU的主系統(tǒng)時鐘(MSLK)源，也可以作為CPU的子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)源。