水下無線多點(diǎn)通信系統(tǒng)研究

朱曉明,程 恩,伊錦旺

摘 要:隨著世界各國海洋開發(fā)和海洋軍事領(lǐng)域的飛速發(fā)展,對(duì)水下傳感網(wǎng)絡(luò)、水下監(jiān)視系統(tǒng)、水聲預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的需求越來越迫切。這里討論一種采用跳頻通信方式,以凌陽16位單片機(jī)SPEC061A為控制核心,通過主節(jié)點(diǎn)向各分節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息或指令,實(shí)現(xiàn)水下無線多點(diǎn)通信。分析了通信節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過水池實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作,具有良好的性能。

關(guān)鍵詞:水聲通信;SPEC061A;節(jié)點(diǎn);DC/DC轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-184-03

Study of Underwater Wireless Multi-point Communication System

ZHU Xiaoming,CHENG En,YI Jinwang

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen,361005,China)

Abstract:Along with exploiture of the ocean resources all over the world,it is necessary to cry for research of underwater sensor network,underwater monitoring system and underwater acoustic prewarning system.A way of frequency-hopping communication using 16 b MCU SPEC061A as the control core,sending information or index to sub-node by main node,the underwater wireless multi-point communication is realized.The hardware and software design of communication node are analysed.It proves that the system is stable and reliable,with good performance through the experiment of pool.

Keywords:underwater acoustic communication;SPEC061A;node;DC/DC converter

水下聲學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要用途是對(duì)水下傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域進(jìn)行中長期的水下預(yù)警、目標(biāo)檢測、海洋水文環(huán)境要素監(jiān)測等;同時(shí),在未來多基地和舷外分布式傳感器系統(tǒng)構(gòu)成的龐大的反潛戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中,水下數(shù)據(jù)通信是關(guān)鍵,而水下傳感網(wǎng)承擔(dān)著探測、數(shù)據(jù)通信的重要使命[1]。所謂的水下無線傳感網(wǎng)就是在一定的水下區(qū)域內(nèi),通過各種傳感器節(jié)點(diǎn)獲取水下信息,并對(duì)水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)通信和組網(wǎng),最終通過特定的節(jié)點(diǎn),重新以無線電和有線的形式把在覆蓋區(qū)域中所獲取的信息納入岸上的常規(guī)網(wǎng)絡(luò),并發(fā)送給觀察者的水下子網(wǎng)[2]。

由于水聲信道的傳輸條件十分惡劣,特別是淺海水聲信道,信道的帶寬有限,取決于距離和頻率,在這種有限的帶寬內(nèi),聲信號(hào)受強(qiáng)環(huán)境噪聲,時(shí)變多徑的影響,可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間干擾(ISI)、大的多普勒頻移擴(kuò)展及長的傳輸時(shí)延。另外,無線電磁波和光波在水中的衰減非常大,無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。所以,在設(shè)計(jì)水聲傳感網(wǎng)時(shí)可以借鑒無線電組網(wǎng)技術(shù),但是還要考慮水聲信道的特點(diǎn)。

1 水下無線多點(diǎn)通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

基于水聲信道的特點(diǎn),同時(shí)考慮到頻域上相鄰點(diǎn)的間隔必須大于信道的相干帶寬,所以采用FSK調(diào)制方式的跳頻通信來實(shí)現(xiàn)。與陸地上的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一樣,水聲傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩大類:一種是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中采用典型的星型結(jié)構(gòu);另一種,大規(guī)模、多節(jié)點(diǎn)、分散密集的環(huán)境中,組建的分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò),采用星型結(jié)構(gòu),由一臺(tái)PC機(jī),一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)分節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一臺(tái)和Internet網(wǎng)絡(luò)連接的PC機(jī)是網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控中心,由主節(jié)點(diǎn)來廣播信息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與命令控制,終端設(shè)備直接受控于主節(jié)點(diǎn),構(gòu)建的水下無線傳感網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 水下無線多點(diǎn)通信系統(tǒng)的通信協(xié)議

為了水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)能穩(wěn)定、無誤碼地完成命令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸,也需要通信協(xié)議來保證其可靠性。結(jié)合水下無線傳感網(wǎng)的需求,在此分別定義PC機(jī)到節(jié)點(diǎn)下行的發(fā)送數(shù)據(jù)通信協(xié)議,節(jié)點(diǎn)到PC機(jī)的上行接收數(shù)據(jù)通信協(xié)議兩種不同的通信協(xié)議。

圖1 水下無線通信系統(tǒng)

(1) 發(fā)送數(shù)據(jù)的通信協(xié)議

開始符分節(jié)點(diǎn)編號(hào)控制命令結(jié)束符

開始符 用“%”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。

從機(jī)編號(hào) 用0~99表示命令是要控制第幾個(gè)分節(jié)點(diǎn)。0編號(hào)作為廣播式設(shè)定,即如果是0編號(hào),則水面中繼器向各水聲通信從機(jī)群發(fā)送控制信息。

控制命令 設(shè)定從節(jié)點(diǎn)需要處理的動(dòng)作類型編號(hào),控制指令的編號(hào)對(duì)應(yīng)水下無線傳感網(wǎng)分節(jié)點(diǎn)采取不同的控制操作。

結(jié)束符 用“MYM”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀尾。

(2) 接收數(shù)據(jù)的通信協(xié)議

開始符分節(jié)點(diǎn)編號(hào)數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)內(nèi)容結(jié)束符

開始符 采用“%”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。

從機(jī)編號(hào) 當(dāng)前回送的數(shù)據(jù)來自水下無線傳感網(wǎng)的分節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

數(shù)據(jù)類型 表示所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)代表的含義。

數(shù)據(jù)內(nèi)容 具體監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。

結(jié)束符 采用“MYM”的ASCII碼占表示數(shù)據(jù)幀尾。

2 通信節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在水下無線傳感網(wǎng)絡(luò)里有兩種設(shè)備:主節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)各項(xiàng)監(jiān)測任務(wù)的下達(dá)和數(shù)據(jù)等反饋信息的簡單聚合與處理,是其余各節(jié)點(diǎn)與主控制PC機(jī)之間連接溝通的橋梁;分節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)搜集傳感器或者接口設(shè)備的測量數(shù)據(jù),并直接向主節(jié)點(diǎn)反饋響應(yīng)信號(hào)或數(shù)據(jù)。PC機(jī)和主節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過RS 232實(shí)現(xiàn)的,而主節(jié)點(diǎn)和各節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過水聲換能器實(shí)現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出,上位機(jī)控制系統(tǒng)通過主節(jié)點(diǎn)完成對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制。系統(tǒng)控制核心為凌陽SPCE061A微處理器。它是凌陽科技推出的一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。其功耗小,系統(tǒng)處于備用狀態(tài)(睡眠狀態(tài))時(shí)的耗電僅為2 μA/3.6 V;內(nèi)置2 KWord SRAM和32 KWord的FLASH;2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;2個(gè)10位數(shù)/模轉(zhuǎn)換(DAC)輸出通道;2個(gè)16位通用可編程輸入/輸出端口IOA和IOB;豐富的中斷資源:定時(shí)器A/B中斷、時(shí)基中斷、2個(gè)外部中斷以及觸鍵喚醒中斷;7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;通用異步串行輸入/輸出接口UART;可通過鎖相環(huán)PLL振蕩器選擇系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào);低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測功能;WatchDog功能等[4]。與其他單片機(jī)相比,SPCE061A是一款資源豐富、功能強(qiáng)大、集成度高的微控制器,采用此款單片機(jī)作為該系統(tǒng)的微控制器具有較高的性價(jià)比。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 軟件工作流程

主節(jié)點(diǎn)初始化后,系統(tǒng)常態(tài)處于等待接收PC機(jī)發(fā)送已準(zhǔn)備好的信息或其他監(jiān)控命令,收到數(shù)據(jù)后調(diào)用發(fā)送程序把收到的信息加上同步頭向相應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)發(fā)送。其軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

在收到PC的信息后,MCU首先將信息存儲(chǔ),當(dāng)所有的數(shù)據(jù)都接收完以后,將數(shù)據(jù)打包并按跳頻圖案發(fā)送,在經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊的處理之后最后通過換能器將信號(hào)發(fā)送出去。

2.3 節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)

系統(tǒng)中用到了MCU、運(yùn)算放大器和多種IC電路,因此需要5路穩(wěn)壓電源。電壓幅度的跨度從直流-12~12 V,輸出給各路負(fù)載的電流參差不齊,所以電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定工作起著重要的作用。在這里為了實(shí)現(xiàn)單電源為系統(tǒng)供電,所以要實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能的電路有兩大類,一類是開關(guān)型穩(wěn)壓電路,它利用自激勵(lì)或他激勵(lì)方法產(chǎn)生高頻開關(guān)電流,用非線性儲(chǔ)能元件(如電感)再次轉(zhuǎn)換成直流,這類轉(zhuǎn)換可以分為升壓型的、降壓型的和隔離型的。早先是用分立元件實(shí)現(xiàn)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換,目前已經(jīng)有各種性能較好的專用IC來完成電路的控制和轉(zhuǎn)換功能。另一類是線性穩(wěn)壓電路,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到LDO(Low Drop Outregulator),LDO是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用晶體管或FET運(yùn)行在其線性區(qū)域內(nèi),從輸人電壓中減去超額部分的電壓,其壓差由晶體管的管壓降分擔(dān),從而產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)后的額定輸出電壓[5]。

根據(jù)以上所述要實(shí)現(xiàn)單電源供電不緊需要升降電壓還需要實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換,如果電源轉(zhuǎn)換全部采用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn),將得到很高的效率,但也使高頻電磁波的干擾增大。同時(shí)考慮到系統(tǒng)對(duì)電流的要求,在這里采用開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓電源相混合的結(jié)構(gòu)。其中小電流負(fù)載的轉(zhuǎn)換采用線性穩(wěn)壓和LDO實(shí)現(xiàn),正負(fù)電壓和大電流負(fù)載的轉(zhuǎn)換采用開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)。電源系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)組成框圖

3 系統(tǒng)管理程序設(shè)計(jì)

PC機(jī)和主節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過RS 232串口實(shí)現(xiàn)的,通信波特率9 600 b/s,為了能夠同計(jì)算機(jī)接口和終端的TTL器件鏈接,必需進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換,采用MAX 232芯片就可以實(shí)現(xiàn)TTL到EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。PC機(jī)主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主節(jié)點(diǎn)的控制和傳感信息的獲取、顯示。所以主控系統(tǒng)界面應(yīng)當(dāng)包括節(jié)點(diǎn)的控制面板、顯示窗口兩大部分,如圖5所示。

圖5 PC機(jī)主控系統(tǒng)界面

控制面板中給出了要發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)號(hào)的選擇,在輸入節(jié)點(diǎn)號(hào)之后,按下發(fā)送按鈕主控系統(tǒng)就會(huì)通過主節(jié)點(diǎn)向相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。節(jié)點(diǎn)在收到信息后執(zhí)行相應(yīng)的指令并反饋信息給PC。

4 結(jié) 語

這里介紹以高性能16位單片機(jī)為控制核心,采用跳頻通信的方式實(shí)現(xiàn)水下多點(diǎn)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、界面友好、可擴(kuò)展性強(qiáng)。在水池試驗(yàn)中取得了滿意的效果。

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