水下聲學傳感器網(wǎng)絡無線多點通信系統(tǒng)研究
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水下聲學傳感網(wǎng)絡的一個重要用途是對水下傳感器節(jié)點所覆蓋的區(qū)域進行中長期的水下預警、目標檢測、海洋水文環(huán)境要素監(jiān)測等；同時，在未來多基地和舷外分布式傳感器系統(tǒng)構(gòu)成的龐大的反潛戰(zhàn)網(wǎng)絡中，水下數(shù)據(jù)通信是關(guān)鍵，而水下傳感網(wǎng)承擔著探測、數(shù)據(jù)通信的重要使命。所謂的水下無線傳感網(wǎng)就是在一定的水下區(qū)域內(nèi)，通過各種傳感器節(jié)點獲取水下信息，并對水下節(jié)點進行聲學通信和組網(wǎng)，最終通過特定的節(jié)點，重新以無線電和有線的形式把在覆蓋區(qū)域中所獲取的信息納入岸上的常規(guī)網(wǎng)絡，并發(fā)送給觀察者的水下子網(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(nèi)，聲信號受強環(huán)境噪聲，時變多徑的影響，可能會導致嚴重的碼間干擾(ISI)、大的多普勒頻移擴展及長的傳輸時延。另外，無線電磁波和光波在水中的衰減非常大，無法實現(xiàn)遠程傳輸。所以，在設計水聲傳感網(wǎng)時可以借鑒無線電組網(wǎng)技術(shù)，但是還要考慮水聲信道的特點。
1 水下無線多點通信系統(tǒng)
1．1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架
基于水聲信道的特點，同時考慮到頻域上相鄰點的間隔必須大于信道的相干帶寬，所以采用FSK調(diào)制方式的跳頻通信來實現(xiàn)。與陸地上的無線傳感網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)一樣，水聲傳感網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)可分為兩大類：一種是小規(guī)模網(wǎng)絡中采用典型的星型結(jié)構(gòu)；另一種，大規(guī)模、多節(jié)點、分散密集的環(huán)境中，組建的分布式對等網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。
該設計實現(xiàn)的是小規(guī)模網(wǎng)絡，采用星型結(jié)構(gòu)，由一臺PC機，一個主節(jié)點、多個分節(jié)點組成網(wǎng)絡系統(tǒng)。一臺和Internet網(wǎng)絡連接的PC機是網(wǎng)絡的監(jiān)控中心，由主節(jié)點來廣播信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與命令控制，終端設備直接受控于主節(jié)點，構(gòu)建的水下無線傳感網(wǎng)絡，系統(tǒng)如圖1所示。
1．2 水下無線多點通信系統(tǒng)的通信協(xié)議
為了水下無線傳感網(wǎng)絡能穩(wěn)定、無誤碼地完成命令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸，也需要通信協(xié)議來保證其可靠性。結(jié)合水下無線傳感網(wǎng)的需求，在此分別定義PC機到節(jié)點下行的發(fā)送數(shù)據(jù)通信協(xié)議，節(jié)點到PC機的上行接收數(shù)據(jù)通信協(xié)議兩種不同的通信協(xié)議。
開始符 用“％”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。
從機編號 用0～99表示命令是要控制第幾個分節(jié)點。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(jié)點需要處理的動作類型編號，控制指令的編號對應水下無線傳感網(wǎng)分節(jié)點采取不同的控制操作。
結(jié)束符 用“MYM”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀尾。
(2)接收數(shù)據(jù)的通信協(xié)議
開始符 采用“％”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。
從機編號 當前回送的數(shù)據(jù)來自水下無線傳感網(wǎng)的分節(jié)點編號。
數(shù)據(jù)類型 表示所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)代表的含義。
數(shù)據(jù)內(nèi)容 具體監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。
結(jié)束符 采用“MYM”的ASCII碼占表示數(shù)據(jù)幀尾。
2 通信節(jié)點的系統(tǒng)設計
在水下無線傳感網(wǎng)絡里有兩種設備：主節(jié)點和分節(jié)點。主節(jié)點主要負責各項監(jiān)測任務的下達和數(shù)據(jù)等反饋信息的簡單聚合與處理，是其余各節(jié)點與主控制PC機之間連接溝通的橋梁；分節(jié)點主要負責搜集傳感器或者接口設備的測量數(shù)據(jù)，并直接向主節(jié)點反饋響應信號或數(shù)據(jù)。PC機和主節(jié)點之間的通信是通過RS 232實現(xiàn)的，而主節(jié)點和各節(jié)點之間的通信是通過水聲換能器實現(xiàn)。
2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
從圖2可以看出，上位機控制系統(tǒng)通過主節(jié)點完成對無線傳感網(wǎng)絡的控制。系統(tǒng)控制核心為凌陽SPCE061A微處理器。它是凌陽科技推出的一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。其功耗小，系統(tǒng)處于備用狀態(tài)(睡眠狀態(tài))時的耗電僅為2μA／3．6 V；內(nèi)置2 KWorldSRAM和32 KWord的FLASH；2個16位可編程定時器／計數(shù)器；2個10位數(shù)／模轉(zhuǎn)換(DAC)輸出通道；2個16位通用可編程輸入／輸出端口IOA和 IOB；豐富的中斷資源：定時器A／B中斷、時基中斷、2個外部中斷以及觸鍵喚醒中斷；7通道1O位電壓模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；通用異步串行輸入／輸出接口UART；可通過鎖相環(huán)PLL振蕩器選擇系統(tǒng)時鐘信號；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(tǒng)的微控制器具有較高的性價比。
2．2 軟件工作流程
主節(jié)點初始化后，系統(tǒng)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(jiān)控命令，收到數(shù)據(jù)后調(diào)用發(fā)送程序把收到的信息加上同步頭向相應的分節(jié)點發(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(shù)據(jù)都接收完以后，將數(shù)據(jù)打包并按跳頻圖案發(fā)送，在經(jīng)過信號調(diào)理模塊的處理之后最后通過換能器將信號發(fā)送出去。
2．3 節(jié)點電源系統(tǒng)
系統(tǒng)中用到了MCU、運算放大器和多種IC電路，因此需要5路穩(wěn)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(tǒng)的設計對于節(jié)點穩(wěn)定工作起著重要的作用。在這里為了實現(xiàn)單電源為系統(tǒng)供電，所以要實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能的電路有兩大類，一類是開關(guān)型穩(wěn)壓電路，它利用自激勵或他激勵方法產(chǎn)生高頻開關(guān)電流，用非線性儲能元件(如電感)再次轉(zhuǎn)換成直流，這類轉(zhuǎn)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現(xiàn)DC／DC電壓轉(zhuǎn)換，目前已經(jīng)有各種性能較好的專用IC來完成電路的控制和轉(zhuǎn)換功能。另一類是線性穩(wěn)壓電路，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到LDo(LowDrop Outregulator)，LDO是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用晶體管或FET運行在其線性區(qū)域內(nèi)，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)過調(diào)節(jié)后的額定輸出電壓。根據(jù)以上所述要實現(xiàn)單電源供電不緊需要升降電壓還需要實現(xiàn)正負電壓的轉(zhuǎn)換，如果電源轉(zhuǎn)換全部采用開關(guān)電源實現(xiàn)，將得到很高的效率，但也使高頻電磁波的干擾增大。同時考慮到系統(tǒng)對電流的要求，在這里采用開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓電源相混合的結(jié)構(gòu)。其中小電流負載的轉(zhuǎn)換采用線性穩(wěn)壓和LDO實現(xiàn)，正負電壓和大電流負載的轉(zhuǎn)換采用開關(guān)電源實現(xiàn)。電源系統(tǒng)框圖如圖4所示。
3 系統(tǒng)管理程序設計
PC機和主節(jié)點之間的通信是通過RS 232串口實現(xiàn)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，必需進行電平和邏輯關(guān)系的變換，采用MAX 232芯片就可以實現(xiàn)TTL到EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。PC機主控系統(tǒng)實現(xiàn)對主節(jié)點的控制和傳感信息的獲取、顯示。所以主控系統(tǒng)界面應當包括節(jié)點的控制面板、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(jié)點號的選擇，在輸入節(jié)點號之后，按下發(fā)送按鈕主控系統(tǒng)就會通過主節(jié)點向相應的節(jié)點發(fā)送信息。節(jié)點在收到信息后執(zhí)行相應的指令并反饋信息給PC。
4 結(jié) 語
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現(xiàn)水下多點通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、界面友好、可擴展性強。在水池試驗中取得了滿意的效果。
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