基于無線傳感器網絡的海洋水環境監測系統的設計

引言
近幾年來，隨著海洋事業的迅速發展，海洋環保已經提上議事日程。因此，海洋水環境監測成為人們越來越關注的焦點。
無線傳感器網絡廣泛應用于軍事偵察、環境監測、目標定位等領域，能夠實時地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍內的對象信息，并發送給觀察者。它具有覆蓋區域廣，可遠程監控，監測精度高，布網快速和成本低等優點。把無線傳感器網絡技術應用到海洋水環境監測系統中，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，網絡建設投資小，網絡安全性高，不便于頻繁更換電源的場合。在工業控制領域利用傳感器基于Zigbee技術組成傳感器網絡，可以使得數據采集和分析變得方便和容易。Zigbee網絡用于傳感網絡的組建很重要的一點在于它的低功耗，其發射功率僅為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。網絡功能是Zigbee最重要的特點，也是與其它無線局域網標準不同的地方。在網絡層方面，Zigbee的主要工作在于負責網絡機制的建立與管理，并具有自我組態與自我修復功能。
IEEE802．15．4規范是一種經濟、高效、低數據速率(250kb／s)、工作在2．4GHz和868／928MHz的無線技術，網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE802．15．4負責物理層和鏈路層標準。完整的zigBee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、以及數據鏈路層和物理層組成。協議棧結構如圖l所示。

1 傳感網絡的構成
本文設計的無線傳感器網絡的組成包括傳感器節點、匯聚節點和網關節點，主要負責探測海洋區域內的各種情況，包括油污檢測、濁度測量、化學需氧量測量、海藻測量等等。
傳感器節點主要負責網絡的形成，海洋各項參數的采集，并將數據通過多跳的形式傳輸到匯聚節點。
匯聚節點是無線傳感器網絡的中心節點，負責網絡的發起，拓撲的形成與維護，網路數據的匯聚與處理，與監控系統的通信與信息交互。匯聚節點是傳感器節點終端節點中能力較強的一種。
網關節點接收來自其他節點的數據，并對數據進行校正、融合等處理，然后發送給監測中心。對于監測中心所發指令進行相應處理，用來確定各個節點的工作狀態。
后臺監測中心負責對發送回來的海洋參數數據進行匯總與處理，網絡拓撲的控制，網絡的監護等工作。
整個海洋監測系統由一定數量的傳感器網絡終端節點、少量匯聚節點、一個網關節點以及后臺監測系統組成。為了探測一定區域，需要在該區域內布置一定數量的傳感器節點，以達到對整個區域的覆蓋，并且需要一個網關節點完成對來自傳感器終端的數據的融合，上傳給后臺監測系統，完成數據的分析與處理。從網關節點到監控中心距離一般都比較遠，可采用現有的GPRS網絡進行遠程數據傳輸。GPRS網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。傳感網絡結構示意圖如圖2所示。

傳感器終端節點與匯聚節點能夠自動形成一個自組織、多跳的網絡。傳感器終端節點按指令采集數據，并將數據及時地通過自適應的路由、多跳中繼后傳輸給網關節點，網關節點將匯集的數據打包后，轉發給后臺監控系統。

2 硬件設計
本海洋監測系統中的傳感器節點是傳感網絡中最重要的部分，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；網關節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 節點微處理器MSP430F149單片機
由于無線傳感器網絡節點需要將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，可選擇一款集成有AD轉換功能的微控制器。另外，無線傳感器網絡節點除完成數據采集功能外，還要完成數據轉發和路由功能，因而要有足夠的處理能力、程序空間及數據空間。本設計MCU采用的是MSP-430F149單片機，它是TI公司生產的一種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自喚醒功能。集成的高速數字控制振蕩器(DCO)頻率為8MHz，可作為CPU的主系統時鐘(MSLK)源，也可以作為CPU的子系統時鐘(SMCLK)源。