基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

耿銘晨，石學(xué)濤，劉儒，鄭凱，姚抒均，施嚴(yán)

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東青島，266000；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島，266000）

1 傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

在本文中，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由一系列節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及一些匯聚模塊等，能夠?qū)Ｑ蟓h(huán)境的各種狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)勘測(cè)，不限于化學(xué)需氧量測(cè)量、濁度測(cè)量、油污檢測(cè)及海藻參數(shù)測(cè)量等。

在該模型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)收集了海洋環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，并完成了節(jié)點(diǎn)控制功能。監(jiān)控中心為用戶(hù)提供各種數(shù)據(jù)信息并管理無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通過(guò)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置的數(shù)據(jù)收集單元和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信模塊，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)收集的信息上載到遠(yuǎn)程管理中心，以供監(jiān)控人員進(jìn)行分析和決策。整個(gè)模型主要包括兩部分：管理中心監(jiān)控軟件和節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)ZigBee通信模塊。此外，該模型還包括GPRS通信模塊或衛(wèi)星通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)適配器等。

2 ZigBee通信協(xié)議設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

首先，節(jié)點(diǎn)采用定期自動(dòng)報(bào)告數(shù)據(jù)的方法，可以由遠(yuǎn)程管理中心設(shè)置時(shí)間間隔，以確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性。其次，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)程管理中心的控制指令和設(shè)置參數(shù)，ZigBee通信模塊在不接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，可以大大降低系統(tǒng)功耗。

ZigBee技術(shù)支持的三個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，樹(shù)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)涫嵌嗵W(wǎng)絡(luò)，而星形拓?fù)涫菃翁W(wǎng)絡(luò)。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在實(shí)際的監(jiān)視海域中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該區(qū)域中的各種傳感器數(shù)據(jù)，例如溫度，鹽度，深度，洋流，葉綠素，濁度和其他信息，然后根據(jù)約定的通信協(xié)議逐點(diǎn)報(bào)告，歸集到網(wǎng)絡(luò)控制器。網(wǎng)絡(luò)控制器會(huì)定期打包數(shù)據(jù)并將其通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程管理中心。管理中心服務(wù)器連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，允許每個(gè)授權(quán)用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)它，以實(shí)現(xiàn)信息共享。

數(shù)據(jù)通信協(xié)議用于建立數(shù)據(jù)包，以便發(fā)送方和接收方可以處理該數(shù)據(jù)包并從中提取有效信息。數(shù)據(jù)包設(shè)置起始位和停止位（例如DA6B和CF5E）的特定代碼，指示數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，并檢查數(shù)據(jù)。此外，它還包含節(jié)點(diǎn)地址信息和每個(gè)傳感器收集的數(shù)據(jù)。

在通信協(xié)議的設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)地址（2個(gè)字節(jié)）包含每個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)信息。例如，將遠(yuǎn)程管理中心地址的第一個(gè)字節(jié)定義為0A，將每個(gè)宿節(jié)點(diǎn)地址的第一個(gè)字節(jié)定義為0B和0C。表示第一個(gè)被監(jiān)視海域的子節(jié)點(diǎn)的地址，OD表示第二個(gè)被監(jiān)視海域的子節(jié)點(diǎn)的地址，依此類(lèi)推。每個(gè)節(jié)點(diǎn)理論上最多可以攜帶32個(gè)傳感器，如果少于32個(gè)傳感器，則保留其余數(shù)據(jù)位。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：智能無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)路系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)傳感器模塊，其中每一個(gè)模塊都具有重要的作用，首先監(jiān)測(cè)模塊都先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，然后對(duì)信息進(jìn)行處理和傳輸，最后會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行整體處理而形成。上述幾個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)圖及邏輯關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

上述系統(tǒng)主要核心技術(shù)采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在集成對(duì)應(yīng)一些低耗路由、一系列網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)。系統(tǒng)作用主要是能夠在監(jiān)視區(qū)域分布很多無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)，通過(guò)此節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)海洋環(huán)境信息進(jìn)行收集，再利用微處理器進(jìn)行一系列后續(xù)處理，上述采用多跳方式也是通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)送網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)后，數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行一系列處理，再將此數(shù)據(jù)通過(guò)主控中心進(jìn)行傳輸，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)嫩鞏固實(shí)現(xiàn)決策管理和預(yù)測(cè)功能。數(shù)據(jù)傳輸中，很多節(jié)點(diǎn)都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)工作，迅速組織形成通信網(wǎng)絡(luò)。上述系統(tǒng)劃分任務(wù)都是采用優(yōu)先級(jí)原則，這樣能夠監(jiān)控更多區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)的自組織特征體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)故障或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)重構(gòu)中，以調(diào)整整體檢測(cè)精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 智能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

智能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（檢測(cè)數(shù)據(jù)收集中心，即匯點(diǎn)），硬件設(shè)計(jì)中利用分布式處理方式。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則是利用外部網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，主要實(shí)現(xiàn)能夠?qū)⑸蠈又噶钕逻_(dá)（例如查詢(xún)，分配ID地址等），也能夠?qū)⑵渌?qǐng)求數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收。它具有數(shù)據(jù)融合，請(qǐng)求仲裁和路由選擇的功能。設(shè)計(jì)中的宿節(jié)點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)通信適配單元（通常意義上的宿點(diǎn)）和CDMA數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)的微處理器軟件

單片機(jī)可以利用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，通常采用單片機(jī)都是MSP430系列，其適用于MSP430系列的C語(yǔ)言與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言高度兼容，從而大大提高了軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的效率，并增強(qiáng)了程序代碼的可靠性，可讀性和可移植性。 因此，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。

2.2.3 主控中心軟件設(shè)計(jì)

主控中心是一個(gè)系統(tǒng)最主要核心部分，在主控模塊上存在PC網(wǎng)絡(luò)喚醒等功能，同時(shí)也包括一系列路由維護(hù)和處理多處理等功能。該系統(tǒng)上位功能利用Delphi來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文中所使用軟件分為兩種，一種為后臺(tái)客戶(hù)端軟件，另一種為前景分析類(lèi)軟件。前者主要表現(xiàn)形式為瘦客戶(hù)端類(lèi)型，其中包括以下模塊構(gòu)成實(shí)時(shí)檢測(cè)、一系列參數(shù)配置、權(quán)限管理和綜合類(lèi)統(tǒng)計(jì)。后者主要表現(xiàn)為負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。除去上述之外，包括一些自動(dòng)報(bào)警等功能。通過(guò)多方面驗(yàn)證，上述系統(tǒng)是可行的。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，即使在小規(guī)模試驗(yàn)中同樣能夠取得了良好且穩(wěn)定效果，此系統(tǒng)中的傳感器數(shù)據(jù)也是比較符合生態(tài)要素的分布特征的。在監(jiān)測(cè)區(qū)域的特殊環(huán)境下，該系統(tǒng)仍然可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、傳輸和處理。采用以下單跳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行湖上模擬實(shí)驗(yàn)。在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是代表一個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)號(hào)。與計(jì)算機(jī)相連的無(wú)線(xiàn)CDMA接口模塊就是作為控制中心，監(jiān)控的起點(diǎn)就是傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)打開(kāi)時(shí)，它表示一種待機(jī)模式，當(dāng)從中心接收到尋址請(qǐng)求時(shí)觸發(fā)中斷，并立即發(fā)送自己的消息。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)再次進(jìn)入待機(jī)模式。主站統(tǒng)一控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)序列，保證不發(fā)生訪(fǎng)問(wèn)沖突，實(shí)驗(yàn)效果較為明顯。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)傳感器實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)使用單跳網(wǎng)絡(luò)在海上地區(qū)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。當(dāng)收到來(lái)自中心的尋址請(qǐng)求時(shí)，將觸發(fā)中斷，并立即發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)信息。發(fā)送數(shù)據(jù)后，它將再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)序列由主站控制，以確保不存在訪(fǎng)問(wèn)沖突。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感器海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功耗低，成本低，可靠性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠及時(shí)有效地獲取海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)將ZigBee通信與GPRS和衛(wèi)星通信相結(jié)合的技術(shù)方法，將功能相同或不同的無(wú)線(xiàn)智能傳感器組成一個(gè)聯(lián)網(wǎng)的智能傳感器網(wǎng)絡(luò)，這極大地提高了傳感器的監(jiān)視能力，為我國(guó)海洋環(huán)境決策提供了技術(shù)基礎(chǔ)。