基于無線傳感器網(wǎng)絡的海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

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注的焦點。
無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、目標定位等領域，能夠實時地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋范圍內的對象信息，并發(fā)送給觀察者。它具有覆蓋區(qū)域廣，可遠程監(jiān)控，監(jiān)測精度高，布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點。把無線傳感器網(wǎng)絡技術應用到海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，是人們近幾年來研究的焦點。
Zigbee與其他的無線通信標準相比，適用于吞吐量較小，網(wǎng)絡建設投資小，網(wǎng)絡安全性高，不便于頻繁更換電源的場合。在工業(yè)控制領域利用傳感器基于Zigbee技術組成傳感器網(wǎng)絡，可以使得數(shù)據(jù)采集和分析變得方便和容易。Zigbee網(wǎng)絡用于傳感網(wǎng)絡的組建很重要的一點在于它的低功耗，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量指示能力，可以自動地對自身的發(fā)射功率進行調整，可以在保證通信鏈路質量的前提下最小地消耗能量。網(wǎng)絡功能是Zigbee最重要的特點，也是與其它無線局域網(wǎng)標準不同的地方。在網(wǎng)絡層方面，Zigbee的主要工作在于負責網(wǎng)絡機制的建立與管理，并具有自我組態(tài)與自我修復功能。
IEEE802．15．4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(250kb／s)、工作在2．4GHz和868／928MHz的無線技術，網(wǎng)絡層以上協(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(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、以及數(shù)據(jù)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)絡的構成
本文設計的無線傳感器網(wǎng)絡的組成包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點，主要負責探測海洋區(qū)域內的各種情況，包括油污檢測、濁度測量、化學需氧量測量、海藻測量等等。
傳感器節(jié)點主要負責網(wǎng)絡的形成，海洋各項參數(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。
匯聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡的發(fā)起，拓撲的形成與維護，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)點是傳感器節(jié)點終端節(jié)點中能力較強的一種。
網(wǎng)關節(jié)點接收來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行校正、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)指令進行相應處理，用來確定各個節(jié)點的工作狀態(tài)。
后臺監(jiān)測中心負責對發(fā)送回來的海洋參數(shù)數(shù)據(jù)進行匯總與處理，網(wǎng)絡拓撲的控制，網(wǎng)絡的監(jiān)護等工作。
整個海洋監(jiān)測系統(tǒng)由一定數(shù)量的傳感器網(wǎng)絡終端節(jié)點、少量匯聚節(jié)點、一個網(wǎng)關節(jié)點以及后臺監(jiān)測系統(tǒng)組成。為了探測一定區(qū)域，需要在該區(qū)域內布置一定數(shù)量的傳感器節(jié)點，以達到對整個區(qū)域的覆蓋，并且需要一個網(wǎng)關節(jié)點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)關節(jié)點到監(jiān)控中心距離一般都比較遠，可采用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。GPRS網(wǎng)絡連接費用相對低廉，傳輸速率較高，性價比較高，而且能夠永遠在線。傳感網(wǎng)絡結構示意圖如圖2所示。

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

2 硬件設計
本海洋監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點是傳感網(wǎng)絡中最重要的部分，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)關節(jié)點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)點微處理器MSP430F149單片機
由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要將傳感器輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，可選擇一款集成有AD轉換功能的微控制器。另外，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點除完成數(shù)據(jù)采集功能外，還要完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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，稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應用需求，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進行調試和下載程序。
MSP430F149低頻輔助時鐘采用32kHz時鐘晶振直接驅動，可作為后臺實時時鐘實現(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。