基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

吳勇劍，劉曉飛，林森，苑克磊

（國家海洋局北海預(yù)報中心，山東 青島 266061）

我國海洋捕撈總體形勢良好，但部分海域受到污染，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，魚類資源枯竭，漁業(yè)受到嚴重影響。因此，必須加強海洋環(huán)境的預(yù)測和保護，建立海洋環(huán)境監(jiān)測和管理制度，并進行改進。現(xiàn)代海洋監(jiān)視技術(shù)正朝著高度集成、多形式、智能化的網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。因為美國和法國可以在已開發(fā)的Argos系統(tǒng)上傳輸、接收和處理遠程和稀缺的數(shù)據(jù)。狩獵。海洋遙感將衛(wèi)星遙感與海洋抵制網(wǎng)結(jié)合起來，創(chuàng)造了一個現(xiàn)代的三維海洋監(jiān)視系統(tǒng)。我國海洋監(jiān)測與發(fā)達國家相比，還有較大差距。

我國建立三維海洋監(jiān)視系統(tǒng)，將為加快全球海域校準提供技術(shù)支持。本文中開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)主要收集以下信息和數(shù)據(jù)：用于快速連續(xù)監(jiān)測的完整海洋環(huán)境及其水文氣象背景參數(shù)，可用于實時數(shù)據(jù)處理和傳輸，以及信息測試系統(tǒng)的生產(chǎn)和推廣。結(jié)合我國海洋環(huán)境特點，結(jié)合海洋氣象的三維結(jié)構(gòu)和海浪、風暴、海冰、海溫、海鹽等災(zāi)害的委員會尼諾數(shù)值預(yù)報等，對海水鹽度、溫度、深度、溶解度、氧還原度、pH值、葉綠素熒光等進行了研究，測定了云量、養(yǎng)分和重金屬含量，并進行了管理。

1 系統(tǒng)的工作原理及其結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由觀測傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和實時信息系統(tǒng)組成。子系統(tǒng)完成了監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，完成了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、制作、發(fā)布等功能。圖1顯示了子系統(tǒng)的邏輯連接和功能實現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

基于無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)，集成網(wǎng)絡(luò)拓撲和低壓技術(shù)，能耗高。大量的傳感器注釋被隨機分配來監(jiān)視該區(qū)域，海洋環(huán)境信息對微處理器的采集和處理通過無線通信模塊發(fā)送50個中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點。然后，對輸入的有用數(shù)據(jù)進行處理后，通過專家研究將數(shù)據(jù)傳送到主控中心，完成決策過程、預(yù)測等管理功能，這些數(shù)據(jù)可以在多個節(jié)點的處理過程中傳播，每個節(jié)點在運行調(diào)整過程中相互配合，按照優(yōu)先原則快速成立通信網(wǎng)絡(luò)能源利用任務(wù)部門，獲取監(jiān)控區(qū)域的信息。

2 監(jiān)控傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計

傳感器備注、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和流量控制模塊通常由八個模塊組成。

圖1

2.1 微處理器

MSP430是一款集成度高、功能豐富、功耗低的16位單片機，MSP430基于單片機語言的單片機編程支持，它非常適合內(nèi)部系統(tǒng)。利用MSP430模塊實現(xiàn)以下功能：無線控制帶收發(fā)器的芯片，提供CC2420功能指導(dǎo)和兩條明確的串行傳輸數(shù)據(jù)指令；實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集與管理、加速度檢測、溫度檢測，聲、光強度局部數(shù)據(jù)處理：提取多余數(shù)據(jù)，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔；安裝和驗證無線傳輸包；確定域內(nèi)節(jié)點的維護功能；為節(jié)點電源管理設(shè)置適當?shù)牡却龝r間，可以節(jié)省能耗，延長節(jié)點壽命。

2.2 無線模塊

ZigBee技術(shù)是一種低生產(chǎn)率的工業(yè)無線通信模塊，只有在外部設(shè)備有限的情況下，才能保證短距離通信的有效性和可靠性。支持250kbits的傳輸速度，保證多點到多點的快速連接。

2.3 傳感器模塊

要監(jiān)控的物理信號類型取決于信號類型。對系統(tǒng)數(shù)據(jù)和環(huán)境的適當要求是傳感器的低能耗，主要有溫濕度傳遞傳感器（用于校準地面空氣質(zhì)量控制器上的數(shù)據(jù)）和空氣質(zhì)量傳感器；建立了多種海洋環(huán)境預(yù)測系統(tǒng)，并初步整合了海洋環(huán)境信息。每個節(jié)點可連接不同的傳感器，傳感器的安裝應(yīng)靈活，以滿足水下和水下監(jiān)測點的要求。

2.4 電源

它主要為傳感器、微處理器和無線收發(fā)器提供能量。第一種可以使用3.6伏充電的鋰離子電池來提高能源效率和利用率，實現(xiàn)小型化。1節(jié)電池自放電量較低，但標稱容量較小，耐用性有限。如果可以用2節(jié)電池供電，可以長時間保持工作。

3 智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的硬件設(shè)計

每個傳感器節(jié)點采用分布式處理策略，在網(wǎng)絡(luò)中通過聚合分析和處理收集信息，并對結(jié)果數(shù)據(jù)進行本地管理。計算的增加將在發(fā)送節(jié)點引導(dǎo)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)之前交換數(shù)據(jù)流。經(jīng)過一定的壓縮后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的通信站，負責發(fā)送ID地址分配等功能，如數(shù)據(jù)集成、仲裁請求和路由選擇。接收節(jié)點是從無線適配器模塊通信（通常是一個接收器）及其功能來設(shè)計的。節(jié)點由無線通信適配器（通常是匯聚點）和CDMA數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

3.1 無線接收單元

無線接收機和微處理器繼續(xù)使用CC2420芯片和MSP430F149芯片將數(shù)據(jù)封裝到MSP430F149集成模塊中。采用雙通道UART接收：數(shù)據(jù)。數(shù)字傳感器接口可以通過端口直接連接到CDMA無線模塊，初始化CDMA模塊，實現(xiàn)收發(fā)功能的啟動。同時，UART2也可以擴展為包括MAX232標準數(shù)據(jù)，用于字符串和其他嵌入式系統(tǒng)或PC的交換。

3.2 遠程控制單元

由于主控制中心和節(jié)點之間的距離，聯(lián)網(wǎng)成本非常高。利用現(xiàn)有的CDMA網(wǎng)絡(luò)平臺，可以將數(shù)據(jù)和信息以透明的方式傳送到遠程控制中心進行決策。Ayg-93c嵌入式CDMA模塊和51單片機系統(tǒng)，可靠性高。其主要特點是：雙頻開關(guān)覆蓋面積大，保證通訊暢通；標準RS-232接口，數(shù)據(jù)終端隨時在線；工業(yè)級表和抗干擾設(shè)計，嵌入式TCP/IP可以通過安裝點來實現(xiàn)標準串行數(shù)據(jù)的實時傳輸接口和簡化的軟件接口，用戶擺脫了乏味的標準CDMA協(xié)議。

4 實時信息處理

實時信息處理子系統(tǒng)是對多個傳感器的遠程控制。參數(shù)監(jiān)測與管理是一個分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)請求實際上可能取決于其地理位置；實時信息處理的任務(wù)是測量點的定義和顯示、數(shù)據(jù)報告、曲線表示、圖表生成、數(shù)據(jù)存儲、誤差統(tǒng)計和報告打印，與國際TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的LAN連接，為LAN終端提供實時通信和數(shù)據(jù)訪問的協(xié)議；提供可視化和圖形化顯示，并對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行明確的分析和評價，為評價海洋環(huán)境質(zhì)量和環(huán)境保護提供相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，為管理提供技術(shù)支持。系統(tǒng)架構(gòu)考慮了數(shù)據(jù)通信方式和現(xiàn)有的軟硬件平臺。海洋環(huán)境監(jiān)測功能的復(fù)雜性和多樣性要求系統(tǒng)及其軟件的現(xiàn)代化和擴展。

5 軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點軟件包括監(jiān)控節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、主機節(jié)點通信和數(shù)據(jù)庫軟件。MSP430節(jié)點和檢測節(jié)點的系列微處理器軟件支持編程。用MSP430編寫的程序具有良好的可移植性。主控中心軟件設(shè)計。主控中心的核心必須有主控中心的上位機，具有網(wǎng)絡(luò)喚醒、數(shù)據(jù)處理、路由維護等功能。軟件的主要功能是對軟件進行前臺分析?？蛻舳塑浖譃榭刂?、參數(shù)設(shè)置、綜合統(tǒng)計和權(quán)限管理四個模塊，客戶端軟件包括自動提醒功能模塊。

6 研究

基于almisp430的WLAN傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在小型試驗中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在特殊情況下，它可以記錄監(jiān)控、傳輸和處理信號。它所處網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)連接計算機無線CDMA接口模塊作為控制中心，當監(jiān)控節(jié)點從主網(wǎng)站啟動時，與傳感器節(jié)點相連。傳感器節(jié)點啟動后，進入待機狀態(tài)，向中心發(fā)送地址查詢，啟動中斷并發(fā)送消息。再次將數(shù)據(jù)發(fā)送到待機模式。網(wǎng)絡(luò)時間由主機控制確保不發(fā)生訪問沖突。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)包括無線傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式智能通信技術(shù)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以創(chuàng)建具有相同或不同屬性的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。智能無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有中電平、短時間、低成本的能源，無線網(wǎng)絡(luò)，高頻傳輸，低成本，可以使用多種能源，必要時節(jié)能；系統(tǒng)具有良好的可擴展性和輕微的改進，可擴展到測量系統(tǒng)中的多參數(shù)海洋阻力剖面測量。每個傳感器都可以相互配合，實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)傳輸，多個傳感器具有很強的適應(yīng)性支持。