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

張浩男 姚 遠 劉 楠

（國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 河北秦皇島 066002）

引言

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?，F(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)。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。

一、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，主要負責探測海洋區(qū)域內(nèi)的各種情況，包括油污檢測、濁度測量、化學需氧量測量、海藻測量等等。傳感器節(jié)點主要負責網(wǎng)絡(luò)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。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、少量匯聚節(jié)點、一個網(wǎng)關(guān)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(nèi)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(guān)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)的分析和處理。本文采用由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420。CC2420是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸支持傳輸率高達250kbit/s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)[1]。

二、監(jiān)控傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計

（一）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。

（二）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]。

三、軟件設(shè)計

（一）節(jié)點的微處理器軟件

網(wǎng)關(guān)節(jié)點、探測節(jié)點的MSP430系列單片機支持C語言程序設(shè)計。適用于MSP430系列的C語言與標準C語言兼容程度高，大大提高了軟件設(shè)計開發(fā)的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。因此采用C語言進行程序設(shè)計。

（二）主控中心軟件設(shè)計

主控中心的上位PC機作為控制中心的核心必須具備網(wǎng)絡(luò)喚醒、數(shù)據(jù)處理、路由維護功能。C++Builder、Delphi和微軟的VisualBasic都可選的快速開發(fā)工具。上層軟件功能由Delphi實現(xiàn)。該文的軟件分成前臺解析軟件和客戶端軟件。前臺軟件專門負責解析接收的數(shù)據(jù)；客戶軟件采用瘦客戶端的形式，分成4個模塊：實施監(jiān)測、參數(shù)配置、綜合統(tǒng)計、權(quán)限管理。

四、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[3]。

五、結(jié)束語

本文設(shè)計的無線傳感器海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功耗低、成本低、可靠性高、可擴展性強，能夠及時有效地獲取海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)綜合運用無線傳感技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式智能信息處理技術(shù)，將功能相同或不同的無線智能傳感器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化、智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)，大大提高了傳感器的監(jiān)測能力。本文提出的這一無線傳感器海洋環(huán)境監(jiān)測模型，為我國的海洋環(huán)境監(jiān)測工作提供了一種新的技術(shù)手段，為海洋環(huán)境決策提供了技術(shù)依據(jù)，具有較高的參考價值和廣闊的應(yīng)用前景。