基于無線傳感器網絡的海洋環境監測系統研究

張浩男 姚 遠 劉 楠

（國家海洋局秦皇島海洋環境監測中心站 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，生態環境遭到破壞，魚類資源枯竭，漁業受到嚴重影響。因此，必須加強海洋環境的預測和保護，建立海洋環境監測和管理制度，并進行改進。現代海洋監視技術正朝著高度集成、多形式、智能化的網絡方向發展。因為美國和法國可以在已開發的Argos系統上傳輸、接收和處理遠程和稀缺的數據。海洋遙感將衛星遙感與海洋抵制網結合起來，創造了一個現代的三維海洋監視系統。我國海洋監測與發達國家相比，還有較大差距。

我國建立三維海洋監視系統，將為加快全球海域校準提供技術支持。本文中開發的監控系統主要收集以下信息和數據：用于快速連續監測的完整海洋環境及其水文氣象背景參數，可用于實時數據處理和傳輸，以及信息測試系統的生產和推廣。結合我國海洋環境特點，結合海洋氣象的三維結構和海浪、風暴、海冰、海溫、海鹽等災害的委員會尼諾數值預報等，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、養分和重金屬含量，并進行了管理。

一、無線傳感網絡的構成

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。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，完成數據的分析和處理。本文采用由Chipcon公司生產的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420。CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器件，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，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。數據傳輸支持傳輸率高達250kbit/s，可以實現多點對多點的快速組網[1]。

二、監控傳感器節點的硬件設計

（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，它非常適合內部系統。利用MSP430模塊實現以下功能：無線控制帶收發器的芯片，提供CC2420功能指導和兩條明確的串行傳輸數據指令；實現傳感器數據的采集與管理、加速度檢測、溫度檢測，聲、光強度局部數據處理：提取多余數據，減輕網絡傳輸負擔；安裝和驗證無線傳輸包；確定域內節點的維護功能；為節點電源管理設置適當的等待時間，可以節省能耗，延長節點壽命。

（二）傳感器模塊

要監控的物理信號類型取決于信號類型。對系統數據和環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量控制器上的數據）和空氣質量傳感器；建立了多種海洋環境預測系統，并初步整合了海洋環境信息。每個節點可連接不同的傳感器，傳感器的安裝應靈活，以滿足水下和水下監測點的要求[2]。

三、軟件設計

（一）節點的微處理器軟件

網關節點、探測節點的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，大大提高了軟件設計開發的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。因此采用C語言進行程序設計。

（二）主控中心軟件設計

主控中心的上位PC機作為控制中心的核心必須具備網絡喚醒、數據處理、路由維護功能。C++Builder、Delphi和微軟的VisualBasic都可選的快速開發工具。上層軟件功能由Delphi實現。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據；客戶軟件采用瘦客戶端的形式，分成4個模塊：實施監測、參數配置、綜合統計、權限管理。

四、實時信息處理

實時信息處理子系統是對多個傳感器的遠程控制。參數監測與管理是一個分布式的無線傳感器網絡數據庫系統。數據請求實際上可能取決于其地理位置；實時信息處理的任務是測量點的定義和顯示、數據報告、曲線表示、圖表生成、數據存儲、誤差統計和報告打印，與國際TCP/IP網絡的LAN連接，為LAN終端提供實時通信和數據訪問的協議；提供可視化和圖形化顯示，并對環境監測數據進行明確的分析和評價，為評價海洋環境質量和環境保護提供相關數據和信息，為管理提供技術支持[3]。

五、結束語

本文設計的無線傳感器海洋環境監測系統功耗低、成本低、可靠性高、可擴展性強，能夠及時有效地獲取海洋環境監測數據。本系統綜合運用無線傳感技術、嵌入式計算技術、現代網絡技術、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絡化、智能化的傳感器網絡，大大提高了傳感器的監測能力。本文提出的這一無線傳感器海洋環境監測模型，為我國的海洋環境監測工作提供了一種新的技術手段，為海洋環境決策提供了技術依據，具有較高的參考價值和廣闊的應用前景。