基于無線傳感器網(wǎng)絡的海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

引言
    近幾年來，隨著海洋事業(yè)的迅速發(fā)展，海洋環(huán)保已經(jīng)提上議事日程。因此，海洋水環(huán)境監(jiān)測成為人們越來越關注的焦點。
    無線傳感器網(wǎng)絡廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、目標定位等領域，能夠實時地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的對象信息，并發(fā)送給觀察者。它具有覆蓋區(qū)域廣，可遠程監(jiān)控，監(jiān)測精度高，布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點。把無線傳感器網(wǎng)絡技術應用到海洋水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(wǎng)絡建設投資小，網(wǎng)絡安全性高，不便于頻繁更換電源的場合。在工業(yè)控制領域利用傳感器基于Zigbee技術組成傳感器網(wǎng)絡，可以使得數(shù)據(jù)采集和分析變得方便和容易。Zigbee網(wǎng)絡用于傳感網(wǎng)絡的組建很重要的一點在于它的低功耗，其發(fā)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(fā)射功率進行調(diào)整，可以在保證通信鏈路質量的前提下最小地消耗能量。網(wǎng)絡功能是Zigbee最重要的特點，也是與其它無線局域網(wǎng)標準不同的地方。在網(wǎng)絡層方面，Zigbee的主要工作在于負責網(wǎng)絡機制的建立與管理，并具有自我組態(tài)與自我修復功能。
    IEEE802．15．4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kb／s)、工作在2．4GHz和868／928MHz的無線技術，網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802．15．4負責物理層和鏈路層標準。完整的zigBee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、以及數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。協(xié)議棧結構如圖l所示。

1 傳感網(wǎng)絡的構成
    本文設計的無線傳感器網(wǎng)絡的組成包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關節(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。
    匯聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡的發(fā)起，拓撲的形成與維護，網(wǎng)路數(shù)據(jù)的匯聚與處理，與監(jiān)控系統(tǒng)的通信與信息交互。匯聚節(jié)點是傳感器節(jié)點終端節(jié)點中能力較強的一種。
    網(wǎng)關節(jié)點接收來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行校正、融合等處理，然后發(fā)送給監(jiān)測中心。對于監(jiān)測中心所發(fā)指令進行相應處理，用來確定各個節(jié)點的工作狀態(tài)。
    后臺監(jiān)測中心負責對發(fā)送回來的海洋參數(shù)數(shù)據(jù)進行匯總與處理，網(wǎng)絡拓撲的控制，網(wǎng)絡的監(jiān)護等工作。
    整個海洋監(jiān)測系統(tǒng)由一定數(shù)量的傳感器網(wǎng)絡終端節(jié)點、少量匯聚節(jié)點、一個網(wǎng)關節(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)的分析與處理。從網(wǎng)關節(jié)點到監(jiān)控中心距離一般都比較遠，可采用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。GPRS網(wǎng)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(wǎng)絡結構示意圖如圖2所示。

    傳感器終端節(jié)點與匯聚節(jié)點能夠自動形成一個自組織、多跳的網(wǎng)絡。傳感器終端節(jié)點按指令采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時地通過自適應的路由、多跳中繼后傳輸給網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點將匯集的數(shù)據(jù)打包后，轉發(fā)給后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

2 硬件設計
    本海洋監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點是傳感網(wǎng)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(jié)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(wǎng)關節(jié)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(jié)點微處理器MSP430F149單片機
    由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要將傳感器輸出的模擬信號轉換為數(shù)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(wǎng)絡節(jié)點除完成數(shù)據(jù)采集功能外，還要完成數(shù)據(jù)轉發(fā)和路由功能，因而要有足夠的處理能力、程序空間及數(shù)據(jù)空間。本設計MCU采用的是MSP-430F149單片機，它是TI公司生產(chǎn)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(shù)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(yōu)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(diào)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(xiàn)自喚醒功能。集成的高速數(shù)字控制振蕩器(DCO)頻率為8MHz，可作為CPU的主系統(tǒng)時鐘(MSLK)源，也可以作為CPU的子系統(tǒng)時鐘(SMCLK)源。
2．2 節(jié)點Zigbee通信模塊CC2420
    本系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡硬件中的Zigbee通信模塊采用低功耗高性能的無線網(wǎng)絡模塊CC2420來實現(xiàn)，它工作在全球通用的2．4GHz頻段。CC2420是一款符合IEEE802．15．4標準的射頻收發(fā)器，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和靈敏度指數(shù)超過IEEE802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)傳速率高達250kb／s，可實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。  CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用直接正交上變頻?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至恐苯颖籇AC轉換為模擬信號，通過低頻濾波器，直接變頻到設定的信道上，再由天線發(fā)射出去。
    Zigbee通信模塊CC2420與單片機的連接電路，如圖3所示。

    CC2420只需要極少的外圍電路，包括時鐘電路、射頻I／O匹配電路和微控制器接口電路三部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可以由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時需要外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如當采用16MHz晶振時，其電容約為22pF。射頻I／O匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗。CC2420與微處理器的連接非常方便，它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；微處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等。
    CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動了地址辨識，在地址辨識失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區(qū)狀態(tài)，如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；當接收FIFO緩存區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平；當FIFO引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過某個臨界值時，或在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平臨界值時，可以通過CC2420的寄存器設置。CCA引腳在信道上有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效，在CC2420進入接收狀態(tài)至少8個符號周期后，才會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。
    SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成，微處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設備，接收來自微處理器的時鐘信號和片選信號并在微處理器的控制下執(zhí)行輸入／輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時，都與時鐘下降沿對齊，CC2420與MSP430F149是通過SPI連接的，其中MSP430F149處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430F149還有4個I／O口與CC2420相連，主要起查詢CC2420狀態(tài)的作用。
    電源管理模塊為傳感器單元、處理器單元、無線通信模塊提供能源，并對電源進行管理，以提高能量的利用率。
2．3 系統(tǒng)IEEE802．15．4工作模式
    IEEE802．15．4規(guī)范中規(guī)定使用DSSS調(diào)制方式，CC2420中的調(diào)制和擴頻功能框圖如圖4所示。

    每個字節(jié)分為兩組符號，4位一組，低位符號首先傳送，對于多字節(jié)域，則是低位字節(jié)首先傳送，但是，與安全有關的域先傳送高位字節(jié)。每個符號映射為一個超過16位的偽隨機序列，即32位片碼序列。片碼序列以2Mchip／s的速率傳送，對于每個符號，首先傳送低位片碼。
調(diào)制方式為偏移正交相移鍵控，具有半個正弦的形狀，相當于最小頻移鍵控(MFSK)調(diào)制，每片的形狀通過半個正弦波交替在同相和正交相位信道傳送。
2．4 數(shù)據(jù)通信幀格式設置
    同步頭包括前導序列和開始幀分隔符，在CC2420中前導序列長度和開始幀分隔符是能設置的，默認值4字節(jié)和1字節(jié)，是符合IEEE．80 2．15．4協(xié)議的；物理頭位為1字節(jié)，幀控制和序列號分別為2字節(jié)和1字節(jié)：地址和源地址共6字節(jié)，待發(fā)數(shù)據(jù)段長度為幀長度減去地址和幀校驗序列。當MODEMCTRL0．AUTOCRC控制位置位時，這個幀校驗序列自動產(chǎn)生2字節(jié)，并由CC2420硬件自動插入。

3 軟件設計
    本設計中，無線傳感器網(wǎng)絡是一個多路的自組織無線網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)自動組網(wǎng)，自動路由查詢，自動數(shù)據(jù)采集與傳輸，軟件設計上必須能夠實現(xiàn)多跳自組織的功能。另外，傳感器節(jié)點必須要求極低的功耗，而低功耗除了硬件設計上的低功耗外，更重要的是軟件設計的低功耗。
    此無線傳感器網(wǎng)絡終端在開機后首先進行自檢，如果自檢失敗了，則進行硬件故障提示，而且自動關機。在自檢通過后，進一步判斷工作模式。傳感器節(jié)點在自檢通過后進入接入狀態(tài)，如果接入失敗則進入等待狀態(tài)。處于等待狀態(tài)的節(jié)點關閉射頻收發(fā)器以節(jié)省功耗，當?shù)却〞r器溢出時，節(jié)點再次回到接入狀態(tài)進行新的介入嘗試。如果節(jié)點接入成功便轉入業(yè)務狀態(tài)。處于業(yè)務狀態(tài)的節(jié)點，完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸，對近節(jié)點數(shù)據(jù)的中繼轉發(fā)，新節(jié)點入網(wǎng)的介入確認等操作。節(jié)點為了實現(xiàn)低功耗，必須在業(yè)務狀態(tài)(活動狀態(tài))與休眠狀態(tài)之間輪換。
    軟件開發(fā)以IAR Embedded Workbench V2．10為平臺，采用C語言編寫。節(jié)點的MSP430系列單片機支持C語言程序設計。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。軟件編程的基本思想是：先對SPI、CC2420控制端口初始化，使能SPI、UART端口，使能ADC，開機后，就可以運行任務程序，實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)及命令了。
    傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點的工作流程如圖5所示。

    對于網(wǎng)關節(jié)點的設計，接收數(shù)據(jù)部分仍采用CC2420無線收發(fā)模塊，可以采用統(tǒng)一的傳輸協(xié)議，保證傳輸?shù)目煽啃?；由于還要進行數(shù)據(jù)的處理，網(wǎng)關節(jié)點就不附加傳感器了，以便提高處理器對數(shù)據(jù)的處理能力，MCU統(tǒng)一采用MSP430F149單片機；同時，監(jiān)控中心一般遠離監(jiān)測點，需要采用GPRS模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。其工作流程如圖6所示。

4 結論
    本文設計的有關海洋水環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡綜合運用了無線傳感技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡技術、無線通信技術和分布式智能信息處理技術，將功能相同或不同的無線智能傳感器構成網(wǎng)絡化、智能化的傳感網(wǎng)絡，大大提高了監(jiān)測海洋各項參數(shù)的傳感器的監(jiān)測能力。這樣的基于無線傳感器網(wǎng)絡的實時監(jiān)控系統(tǒng)采用中短距離、低功耗無線網(wǎng)絡，射頻傳輸成本低；可根據(jù)需要采用多種供電模式，節(jié)能效果好；可實現(xiàn)靈活的快速組網(wǎng)和自動配置，擴展性好。