劉桂山 張寶貴

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一〇研究所 宜昌 443000)

1 引言

水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的延伸［1］，在海洋數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)難預(yù)報(bào)、輔助導(dǎo)航以及水下軍事防御等方面有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)國(guó)防和海洋資源開發(fā)具有十分重要的意義。水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由多個(gè)固定式水下感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)式水下航行器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它們被布防在特定的區(qū)域執(zhí)行合作監(jiān)視、信息采集等任務(wù)。

與陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，目前水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用數(shù)字聲通信手段，由于海洋信道傳輸特性的影響，使得水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的受限因素很多［2～7］，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)海洋水聲信道帶寬有限、傳播時(shí)延大且易變、多徑和多普勒效應(yīng)比較嚴(yán)重。2)水聲信道的間斷性要求水下傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的儲(chǔ)存空間來(lái)緩存數(shù)據(jù)。3)由于節(jié)點(diǎn)間較長(zhǎng)的傳輸距離和接受端復(fù)雜的信號(hào)處理，水下傳感器節(jié)點(diǎn)獲得信息的相關(guān)性小，且消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地傳感器節(jié)點(diǎn)通信所消耗的能量。4)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能源供給采用一次性耗盡型能源，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。5)由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加密算法，增加了被竊密的可能性，還有在軍事應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)很可能被占領(lǐng)。因此，惡意的攻擊不僅來(lái)自網(wǎng)絡(luò)外部，而且可能從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部產(chǎn)生，安全性面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于能量對(duì)于水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)講至關(guān)重要，最大限度的節(jié)省能源成為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要考慮的首要目標(biāo)。文獻(xiàn)［8］基于SMAC原型提出了同步 MAC樣機(jī).它工作在‘sleepwake’模式下，并保持在接受/發(fā)射同步的同時(shí)降低每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗和避免信息間的干擾。文獻(xiàn)［9］提出了一種超低功耗的 RMAC樣機(jī)。文獻(xiàn)［10］提出了 TLohiMAC樣機(jī)，該樣機(jī)雖然工作在‘sleepwake’模式下，但它需要用超低功耗的接收機(jī)喚醒節(jié)點(diǎn)。

本文提出的用于水下傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的超低功耗遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)的直接序列擴(kuò)頻（DSSS)技術(shù)、低功耗的“sleepwake”工作模式與設(shè)計(jì)的高性能、超低功耗遠(yuǎn)程接收機(jī)相結(jié)合的方式。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，功耗低、安全保密，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)于單個(gè)或多個(gè)水下傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程配置。如在不需要使用網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過該系統(tǒng)遠(yuǎn)程關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，以節(jié)省能源。或者是通過該系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)修改網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，以適應(yīng)新的任務(wù)需要。出于信息保密的考慮，系統(tǒng)使用了擴(kuò)頻技術(shù)，避免了其他未授權(quán)用戶獲取網(wǎng)絡(luò)的使用權(quán)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，該系統(tǒng)由接收機(jī)模塊、A/D模塊、傳感器模塊、數(shù)字處理模塊及通訊模塊構(gòu)成。接收機(jī)模塊及A/D模塊用于原始信號(hào)的預(yù)處理及數(shù)字化；傳感器模塊用于感興趣物理量的采集及數(shù)字化；通訊模塊用于通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換；數(shù)字處理模塊用于模塊內(nèi)工作流程管理、通信信號(hào)參數(shù)解算、傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及MAC協(xié)議的執(zhí)行。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，除使用低功耗器件外，還采用“sleep/wake”的工作體制。當(dāng)數(shù)據(jù)需要處理時(shí)，系統(tǒng)各模塊均處于工作狀態(tài)，便于實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，此時(shí)功耗達(dá)到最大值；數(shù)據(jù)處理完畢后系統(tǒng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)大部分模塊處于低功耗工作狀態(tài)，功耗達(dá)到最低值；休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換由系統(tǒng)內(nèi)部中斷或外部信號(hào)觸發(fā)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

3.1 接收模塊

接收機(jī)模塊主要由換能器、前置放大、帶通濾波、AGC控制，檢波模塊五部分構(gòu)成。接收模塊的任務(wù)是對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波、放大檢波等調(diào)理，為A/D提供平穩(wěn)的、適合采樣的信號(hào)。

圖3 六階橢圓函數(shù)低通濾波器

圖4 六階橢圓函數(shù)高通濾波器

系統(tǒng)的接收機(jī)模塊靈敏度高、噪聲低、工作穩(wěn)定，可檢測(cè)0.5μV微弱信號(hào)。接收機(jī)模塊的低功耗與高性能主要體現(xiàn)在帶通濾波器的設(shè)計(jì)和低功耗、低噪聲運(yùn)算放大器的選擇上。接收機(jī)帶通濾波器由六階橢圓函數(shù)的低、高通濾波器組成（圖3、圖4所示)。六階橢圓函數(shù)低通濾波器由一節(jié)二階的VCVSLPF和一節(jié)四階的低通陷波器組成。六階橢圓函數(shù)高通濾波器由一節(jié)二階的VCVSHPF和一節(jié)四階的高通陷波器組成。

由六階橢圓函數(shù)低、高通濾波器組成的帶通濾波器在結(jié)構(gòu)上減少了運(yùn)算放大器的整體使用個(gè)數(shù)，降低了功耗，整個(gè)接收機(jī)模塊需要14個(gè)放大模塊，一個(gè)晶體管，總功耗0.3μW；（接收模塊采用Ti的低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器2832和晶體管3DM3C)。在性能上實(shí)現(xiàn)通帶平坦，過渡帶陡峭的窄帶濾波。系統(tǒng)樣機(jī)帶通濾波器的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示：

圖5 系統(tǒng)樣機(jī)帶通濾波器的實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)現(xiàn)帶通濾波器指標(biāo)：

1)帶 寬：ΔB0＝240Hz（3dB 帶 寬 2.580KHz～3.820KHz)，衰減變化≤1.5dB；

2)阻帶衰減：－35dB～－45dB，阻帶2.63KHz～3.33KHz，3.07KHz～3.77KHz；

3)過渡帶寬：100Hz～250Hz。

3.2 數(shù)字處理模塊

數(shù)字處理模塊是整個(gè)信息接收系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與處理，模塊工作流程管理。出于功耗和穩(wěn)定性的考慮，選擇了在信號(hào)處理領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的超低功耗MCUMSP430F5438和低功耗 DSPTMS329VC5509A 為核心的設(shè)計(jì)方案。MCU與DSP間的數(shù)據(jù)交互采用高速SPI協(xié)議。為了是降低功耗和簡(jiǎn)化數(shù)字處理模塊與模擬預(yù)處理模塊間的接口，A/D模塊采用微功耗、小型 A/DADS7866，檢波輸出信號(hào)則通過MCU自帶的片上A/D模塊采集。

在軟件方面，采用目前應(yīng)用較為廣泛的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DSSS)。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)序列（PN序列)擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)射擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)序列對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來(lái)的信息。干擾信號(hào)由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低，從而提高系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾的目的。直擴(kuò)系統(tǒng)的接收端最好先進(jìn)行解擴(kuò)然后再解調(diào)，因?yàn)樾盘?hào)在信道中傳播會(huì)有很大的衰減。未解擴(kuò)前的信噪比很低，甚至信號(hào)被淹沒在噪聲中。一般解調(diào)器難以在很低的信噪比條件下正常解調(diào)，會(huì)導(dǎo)致高誤碼率。先進(jìn)行解擴(kuò)，可以通過解擴(kuò)過程獲得擴(kuò)頻增益，提高接收信號(hào)的信噪比，然后再進(jìn)行解調(diào)，以保證通信的質(zhì)量和可靠性。

數(shù)字處理模塊硬件框圖如圖6所示。MCU主要負(fù)責(zé)各模塊上電控制、工作流程控制、工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制。通信信號(hào)的解調(diào)、復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理算法的運(yùn)算、MAC協(xié)議的處理等主要由DSP負(fù)責(zé)。MCU和DSP可根據(jù)不同的處理應(yīng)用通過軟件設(shè)定合適的配置，達(dá)到降低功耗的目的。

圖6 數(shù)字處理模塊硬件框圖

數(shù)字處理模塊的工作流程見圖7。當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，MCU、DSP處于休眠狀態(tài)，此時(shí)MCU與DSP的理論功耗值分別為3μW（25oC)、120μW（25oC)，其他器件處于掉電狀態(tài)。因此數(shù)字處理模塊處于休眠狀態(tài)時(shí)消耗功耗的理論值為123μW。當(dāng)檢波中斷，DSP、MCU被喚醒，DSP與檢波信號(hào)同步，隨后進(jìn)行解碼，然后對(duì)所得到的信息進(jìn)行判別輸出。

圖7 數(shù)字處理模塊工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

超低功耗遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)樣機(jī)硬件工作完成以后，在西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院消聲水池對(duì)原理樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。樣機(jī)系統(tǒng)整體照片如圖8所示。

圖8 樣機(jī)系統(tǒng)整體照片

實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1)接收機(jī)靈敏度：0.5μV；

2)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍：60dB；

3)工作帶寬：1.6KHz～1.8KHz；

4)阻帶衰減：≥33dB；

5)接收機(jī)通帶紋波：≤1.5dB；

6)接收機(jī)功耗：0.8mW；

7)數(shù)字處理模塊功耗：0.6mW（sleepmode)；100mW（workingmode)。

5 結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明設(shè)計(jì)系統(tǒng)樣機(jī)采用合理的工作體制以及低功耗器件，可以有效地降低節(jié)點(diǎn)功耗，提高水下傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命；設(shè)計(jì)的超低功耗、高性能窄帶濾波器，提高了接入系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)能力。該系統(tǒng)的主要性能與作用：1)超低功耗。用戶可以根據(jù)需求，實(shí)時(shí)開啟或關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，最大限度節(jié)省能量資源；2)采用3.5KHz以下頻段，傳播距離遠(yuǎn)?？捎糜谶h(yuǎn)程配置網(wǎng)路，改變網(wǎng)絡(luò)的工作方式等；3)選用CDMA通信，已有文獻(xiàn)表明，CDMA通信在抗水聲信道多徑以及衰落方面有著良好性能，保密性好，可為多個(gè)遠(yuǎn)距離的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)安全的、可靠的信息交互途徑。該系統(tǒng)還可用于使自主水下無(wú)人航行器（UUV或AUV)等移動(dòng)式節(jié)點(diǎn)通過遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)方便的加入網(wǎng)絡(luò)。消聲水池的24小時(shí)不間斷測(cè)試表明樣機(jī)系統(tǒng)可以可靠工作，系統(tǒng)達(dá)到低功耗、遠(yuǎn)距離及保密的預(yù)期性能。

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