基于無線射頻傳輸技術的海洋環境監測系統的設計

摘 要：針對海洋環境管理需求，利用短距離無線通信在數據采集中的優勢，提出并開發了基于無線射頻傳輸技術的海洋環境監測、傳輸系統，完成海洋生態環境監測、數據實時處理。系統以CC2420無線射頻傳輸模塊和MSP430單片機為核心，由上位機和下位機兩部分構成。上位機和下位機之間通過CC2420無線收發模塊和PL2303轉換芯片完成數據的無線傳輸。

關鍵詞：海洋環境；監測節點；無線數據傳輸；MSP430；CC2420

前言

海洋占據了地球七成多的面積，孕育著無數的生命和財富。隨著經濟的發展，人們對于海洋過度捕撈和污染，致使近些年來，海洋赤潮現象頻發，嚴重影響了海洋生態的平衡。保護海洋資源首先應當從做好海洋環境監測出發，對于造成海洋污染的物質及源頭進行監控，從而有效的保護海洋生態平衡。為做好海洋環境的監控，需要建立大范圍的海洋數據采集點來確保采集數據的可靠性。為做好對海洋水質數據的采集，通過使用以單片機為控制核心的海洋數據采集監控系統，來實時對監控區域內的海洋水質進行檢測，并將檢測的數據通過無線信號發送至數據中心進行分析處理。相對于傳統的依靠線纜進行數據傳輸的海洋水質監控設備在方便性、可靠性以及簡易性等方面都有了極大的提高。

1 海洋環境監測系統的組成及工作原理

海洋環境監測系統主要是為了測量海洋水質、海洋環境以及水文氣象等多種海洋生態環境的參數。并對可能發生的海洋自然災害（如海浪、風暴潮、海冰、海洋溫、鹽流三維結構、厄爾尼諾）等進行數據的測量及災害的預測。保障我國對于海洋的合理開發利用。海洋環境監測系統主要是由從站和主站組成，其分別負責對于海洋數據的測量及對于測量數據的收集處理，其結構及功用分別如圖1所示。

在海洋環境監測系統中的從站中，其使用單片機MSP430F149為控制核心，通過各種傳感器實現對于海洋環境中的溫濕度、營養鹽、重金屬、有機污染物、化學耗氧量、致病菌、石油污染物、有機磷農藥等的檢測，并將傳感器測得的數據通過數模轉換后通過使用無線通信發送至海洋環境監測系統總站中。在海洋環境監測系統總站的硬件組成中主要采用MSP430F149作為主控核心，通過使用CC2420數據接收模塊來接收來自于海洋環境監測系統從站中的測量數據，而后將所收集到的數據進行整理歸類并顯示在主控機中。海洋環境監測系統對所接收到的海洋環境參數進行分析和比對，當數據超出設定值時進行報警。

2 海洋環境監測系統硬件組成

2.1 海洋環境監測系統中的傳感器模塊

海洋環境監測系統中的從站需要放置在待測海域進行海域水質數據的檢測，從而使得其缺乏持續的電力供應，因此，又必須要選用低功耗的傳感器來延長其工作時間，在海洋環境監測系統的傳感器中主要包括有溫濕度、營養鹽、重金屬、有機污染物、化學耗氧量、致病菌、石油污染物、有機磷農藥等多個方面的傳感器，以滿足海洋環境監測的要求。

2.2 海洋環境監測系統中的處理器

海洋環境監測系統采用的是MSP430F149 單片機，其具有低功耗、功能強大且環境適應能力強等優點，且能夠在-40～+85℃的溫度區間內工作，極為適應海洋環境監測系統對于處理器的要求。

2.3 海洋環境監測系統中的通信模塊

海洋環境監測系統從站需要從檢測海域與主站進行數據交換，因此需要選用傳輸功率大、功耗低、傳輸速率快的無線通信模塊，為達到這一要求選用的是CC2420通信芯片，此芯片支持IEEE802.15.4，工作片段為2.4GHz，是一種優秀的有源RF收發器件。CC2420通信芯片功耗低，其工作時接收所耗電流僅為17.4mA，處于發射狀態時的耗費電流為19.7mA；其工作電壓為2.1～3.6V，是一種極為優秀的通信芯片，能夠適應海洋環境監測系統從站在海上的通信要求。

2.4 海洋環境監測系統中的數據存儲模塊

在海洋環境監測系統的硬件組成中選用M25P80芯片作為監測系統的數據存儲芯片，此芯片支持速度達50MHz的SPI兼容總線的存取操作，能夠把程序快速加載到設備的RAM內存中。在具有高速、穩定工作特點的同時其工作電壓低、功耗低，能夠在適應海上較大的晝夜溫差的同時，滿足海洋環境監測系統從站在海上工作的要求。

2.5 海洋環境監測系統中的電源管理

電源管理是海洋環境監測系統中的重要組成部分，其決定著海洋環境監測系統從站在海上的工作時間，選用TPS60210芯片，此芯片是一種工作在3.3V的低功耗管理線性穩壓芯片。能夠適應海上復雜的工作環境。

2.6 單片機與PC機的通信電路

海洋環境監測系統為確保主站與電腦的數據交換，在硬件中加入了RS232轉USB的轉換接口，使用PL2303專用轉換芯片，其具有雙向數據流緩沖器和片上USB收發器，確保海洋環境監測系統與PC機之間的數據通信。

3 海洋環境監測系統的軟件編制

以上完成了海洋環境監測系統中的硬件搭建，為確保海洋環境監測系統的正常工作需要編制相應的軟件，軟件選用IAR WorkbenchV2.10為開發平臺，使用C語言作為編制語言，軟件編程的基本思路是：先對MSP430F149時鐘、定時器、SPI、CC2420控制端口初始化；使能SPI、UART 端口，使能ADC，對CC2420芯片初始化；SPI 接口主要負責MSP430F149與CC2420射頻芯片之間進行數據收發，數據在時鐘的上升沿有效，SPI總線發送數據采用查詢方式。開啟接收機后，就可以運行任務程序了，以實現接收或發送數據。CC2420的初始化流程如圖2所示。

無線傳感器節點每定時5min 啟動一次采集，將采集到的數據通過無線方式發送給監測儀。傳感器主要工作流程如圖3所示。

數據發送流程圖如圖4所示。在接收狀態下，當SFD全部接收完時電平變高。FIFO引腳在接收緩沖寄存器中有一個或多個字節的數據時會變成高電平。第一個字節是幀長度，即當幀長度字節存入RXFIFO時FIFO引腳就變高，直到寄存器RXFIFO中的數據為空時FIFO引腳變低。FIFO引腳在新數據幀的最后一個字節被接收后會變高電平。

數據接收流程圖如圖5所示。

4結束語

我國具有廣闊的海岸線，近些年來隨著經濟的發展以及民眾環保意識的提高，海洋環境越來越為人們所重視，做好對于海洋環境的監測，有利于了解影響海洋生態平衡的影響因素。海洋環境監測系統是一種應用于海洋環境參數測定的監測系統，通過在海洋環境監測系統從站中設計多種傳感器，可以方便的對海洋環境參數進行測定，通過采用無線傳輸的方式，極大的提高了監測系統的適用性，文章在介紹海洋環境監測系統組成的基礎上對海洋環境監測系統設計中的要點進行了闡述。通過試驗表明，該測試系統數據傳輸可靠，測量精度比人工測量方式高，降低了人工勞動強度，提高了工作效率。

參考文獻

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作者簡介：郭祥東（1964，2-），男，福建福州，福州職業技術學院副教授，主要研究方向為無線傳感器網絡、嵌入式技術。