一種新型無線傳感器網絡在海洋監控系統中的應用

汪　剛

(南京工業職業技術學院,江蘇 南京 210024)

一種新型無線傳感器網絡在海洋監控系統中的應用

汪剛

(南京工業職業技術學院,江蘇 南京 210024)

摘要：近年來，隨著工業的發展和人類海洋活動的日趨頻繁，海洋環境問題日益突出。為了實時監控海洋的環境和水文狀況，需要采用船舶巡航、人工監控或播撒浮標等方式。然而，由于海面復雜苛刻的自然環境，以及對于人力物力的約束，上述方法無法滿足對于海面實時監控的需求。為了解決這一問題，本文提出一種新型無線傳感器網絡，實時收集并傳輸相關的數據。該網絡由傳感器和浮標組成，傳感器的數據傳輸采用無線通信方式，本文對該網絡的結構進行研究，并設計了系統原型。

關鍵詞：無線傳感器網絡；海洋；監控系統

0引言

隨著工業、旅游業的發展和城鎮化進程的加快，近海海域尤其容易受到人類活動的影響和破壞。信息和通信技術的發展為解決這一問題提供了新的思路，通過實時監控相關海域的信息和數據，為更好地保護沿海環境提供了依據。因此，近年來各種新技術被應用于這一領域，從小規模的監控網絡到大規模的沿海監控系統，層出不窮并取得了一定的效果。

在小規模網絡應用中，無線傳感器網絡(WSN)受到了極大的關注，因為與其他技術相比，WSN更加容易部署、操作和移除，且傳感器節點的價格也相對比較便宜。目前WSN已經被廣泛應用于環境監控領域，在湖泊、河流、叢林等多種自然環境中發揮著至關重要的作用。除此之外，一些大型的監控系統也被付諸實踐，通過電子化和信息化的海洋儀器，其能夠實現功能更加復雜，信息更加豐富的監控任務，而學術界對于該類系統的研究也在持續推進之中[1-3]。

通過對WSN的研究和近海環境監控的需求分析，本文提出了一種利用無線傳感器網絡實現近海海域環境監控的全局解決方案。

該方案的主要目的是為了解決苛刻的海洋環境對于傳感器節點硬件設備的影響。海洋環境通常極端且復雜，因而需要更高水平的設備保護機制、浮箱和錨泊系統。除此之外，由于海浪、潮汐、航運等造成的傳感器節點漂移，可能會導致無線通信鏈路的不穩定，也是一個需要解決的問題。

1無線傳感器網絡框架

無線傳感器網絡框架如圖1所示。網絡由若干傳感器節點、路由節點和協調節點組成。協調節點負責將接收到的傳感器信息發送給位于移動基站的數據服務器。在本文提出的網絡中，有4種類型的傳感器節點：深度節點，測速節點，完全節點和洋流節點。深度節點用來測量海域的水溫和水壓；測速節點用來測量海域的海水流速；完全節點包括了測量潮汐、含鹽量等功能的節點；洋流節點用來測量海水的渾濁度，以及含氧量等參數。所有的傳感器節點均部署在同一深度，大多數節點被放置在海底，并與漂浮在海面的浮標相連。但是對于溫度測量傳感器來說，傳感器被垂直部署，每個傳感器間的距離為1 m。

圖1　傳感器網絡框架圖Fig.1　The architecture of wireless sensor network

從圖1可見，存在3個海峽連接了外部海域與海灣內部的瀉湖，則隨著海面風向的改變，瀉湖與外部海域將會發生顯著的洋流運動。因此，將測速節點部署在每個海峽中(圖1中的CR1，CR2，CR3)。同時還需要知道海峽兩端的深度，因而將深度節點D1~D6部署在相應位置。為了全面了解瀉湖的水文情況，完全節點CP1和CP2也被部署。為了了解海水渾濁度、含氧量等其他參數，部署洋流節點W1。

不同的傳感器節點將采集到的信息通過單跳或多跳方式，發送給協同節點C1、C2、C3。或者通過GPRS將采集到的信息直接發送給基站，采用這種方式的原因是某些節點部署的距離相對較遠，其自身的通信功率難以進行有效的數據傳送，如圖中的W1，根據當前的通信標準，傳感器節點的有效通信距離在2 km之內。

如圖1所示，各種傳感器之間的通信過程由3個子網組成，每個子網均是無線個域網(ZigBee)拓撲結構(星型、樹型、網狀)。在星型網絡中，協調節點被部署在網絡的中央；在樹型網絡中，協調節點作為樹的根節點，其他節點采用多跳路由與其通信；在網狀拓撲中，協調節點至少有2條鏈路與其連接；在以上各種拓撲中，可能某些節點同時充當傳感器節點和路由節點，同時也存在專用的路由節點，如圖1中的Router Node，用來覆蓋整個傳感器網絡區域。

不同節點之間的通信采用ZigBee。ZigBee是一組根據IEEE 802.15.4制定的標準，采用低頻段，用來實現低速率的個域網通信。這一標準的主要目標是為了滿足某些應用，需要在低速率情況下，盡量滿足較大的通信量和安全性要求，從而節省傳感器設備的使用功耗。ZigBee是一種多跳的通信協議，當通信雙方無法通過直接發送數據通信時，可以采用兩者直接的其他節點中繼消息，完成數據傳輸[4]。

在本文中，采取20 min的信息采集間隔，在大多數情況下，這一采集間隔能夠滿足需求，在實際應用中，可以靈活調整這一時間間隔，但同時會增加傳感器節點的功耗。

2傳感器節點結構設計

與應用于陸地環境的無線傳感器網絡不同，由于海洋中極端和苛刻的自然條件，會對各種傳感器節點產生極大的影響，制約其工作的效能，從而對傳感器節點的設計提出了更高的要求。由于本文設計的傳感器與浮標相連，因而結構設計分為水上部分和水下2個部分。

在水上部分的設計過程中，需要考慮以下幾個需求：1)可視性：易于被水面船舶發現；2)環保性：使用環境友好型材料；3)穩定性：抗各種海況；4)經濟性：制造和實施的費用較低等。

通過綜合考慮傳感器節點在制造、部署、使用等多個節點的具體需求，本文設計了的傳感器節點結構水上部分和水下部分如圖2所示。

圖2　傳感器節點結構圖Fig.2　The structure of sensor node

在水上部分，通信管道是一根長3 m，直徑25 mm的不銹鋼管。這根不銹鋼管穿過直徑40 cm的浮筒，1.5 m在水上，1.5 m在水下。電子設備和電池被放置在一個尺寸為12 cm×12 cm×9 cm、防護程度為IP-67的水密箱中，同時在水密箱上部安裝有1個信標燈和1個8 dB的通信電線。

供電系統由2個太陽能電池板組成，成45°傾斜，可以在多個方向收集太陽能，同時也可以充當雷達反射器。配重為7 kg，連接于不銹鋼管的下端，同時還有一個系錨，為傳感器節點提供穩定性，防止傳感器節點的漂移。采集信息的傳感器也被放置于水下部分，并通過通信管道與水上部分的電子設備相連。

除此之外，天線的高度也應當仔細設計，當進行較長距離的通信時，較短的天線高度可能會無法提供需要的傳播路徑。根據菲涅爾帶理論，可通過測量菲涅爾半徑，確定相應的天線高度。

同時，在設計天線高度時，也需要綜合考慮天線覆蓋范圍和結構的穩定性，盡管較高的天線能夠覆蓋更大的通信范圍，但也會影響浮標的穩定性。

3傳感器節點的電子設計

傳感器節點的微電子模塊由2塊電路板組成，設計目標是開發一種多功能的傳感器節點，能夠應用于不同的WSN，出于這種目的，還需要設計相應的接口電路，使得該節點能夠應用于本文提出的方案。

傳感器節點的主板為多環境無線節點主板(MEWiN)，包含了多數無線傳感器節點中的必要模塊，其構造如圖3所示。

圖3　傳感器節點主板Fig.3　The main-board of the wireless sensor node

低功耗CPU是平臺的核心，負責傳感器節點的功能調用和控制。另一個重要模塊為實時低功耗時鐘(real-time clock，RTC)，該時鐘可以實現各個節點的全局同步。

除此之外，通過增加SD內存，將能夠允許傳感器節點將收集的數據暫存，在合適的時候將數據發送，從而避免了數據的丟失。

本文通過分析海上應用的具體環境，對圖3中主板進行改進，改進后的主板如圖4所示。其包含1個RS232接口模塊和1個乘法器，支持將2個傳感器相連。

圖4　海上傳感器主板設計圖Fig.4　The main-board of the sea-sensor node

4用戶應用設計

對于海上無線傳感器網絡來說，國內外已經有若干項目致力于研究如何對其性能和應用進行仿真和模擬，因而相繼開發出若干種用戶應用，應用于不同的領域，如海洋監測、船舶導航等。本文中將采用由LabVIEW開發的用戶界面，下面對該用戶應用的界面、應用方法等進行初步介紹。

圖5　基于Google地圖的應用Fig.5　Application based on Google earth

圖5展示了本文開發的一種應用，這個應用允許借助Google地圖，將傳感器網絡中的節點位置和部署情況，在地圖中實時地顯示出來，具有較好的可視性和較低的實現難度。其中每個網絡都由不同的顏色區分，并使用ID進行標識。點擊節點的標識，能夠顯示該節點最近收到的消息。如圖5所示，節點12已經被選中，其顯示的上一條信息是網絡1中的節點2發送的。

圖6中顯示的是水壓、電池電量、電子設備的溫度等信息。

該應用中包含了一個數據可視化選項。用戶可以選擇需要的網絡和合適的時間間隔，來查看傳感器的歷史數據。如圖6所示，曲線顯示了2月17日-4月14日的溫度數據。

圖6　信息顯示應用Fig.6　The application on information display

5實驗測試

由于本文所提方法中傳感器節點的設計具有較高的集成度，因而在實際環境中使用之前，需要在實驗中對其性能表現進行測試，以驗證其有效性。

本文設計了一種測試應用，能夠讓傳感器節點工作在POWER_SAVING模式下，讀取電池電量信息和溫度信息，同時根據RTC的時間，將采集到的數據存儲在SD內存中，并將這些數據定期發送給協調節點。與此同時，協調節點監聽通信信道，接收來自傳感器節點的信息，并將這些信息儲存在SD內存中。

在實驗中，數據收集的間隔為10 min，該采集頻率高于實際應用中的采集頻率，保證了實驗的嚴謹性。綜合考慮信標燈的能量消耗和各種天氣狀況及海況，本文得到的相應數據如圖7所示。通過實驗仿真，圖7顯示了一個月的時間內，電池電量的數據，電池在標稱電壓下工作，且設定太陽能電池板以最高4.2 V的電壓進行充電。

圖7　實驗數據圖Fig.7　The result of the test on battery

此外，還需在真實環境下測試本文提出方案的可靠性和水密性。以上測試結果表明，本文提出的方案具備一定的可行性和實用性，能夠實現一定范圍內海域的實時監控。

6結語

本文描述了一種用于海洋監控的新型無線傳感器網絡，對該傳感器網絡中使用的無線傳感器節點進行了詳細設計。研究了其水上部分的各種結構，描述了各個模塊的功能、形狀和位置以及水下部分的框架，給出了設計圖示。同時，對本文使用的傳感器進行了電子設計，對其主板進行了研究和改進，并依據以上分析和研究，進一步設計了用戶應用，以支持本文提出的海洋監控應用場景。最后，利用實驗測試，驗證了本文提出方案的可行性和實用性。

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Application of a novel wireless sensor network in sea surface monitoring system

WANG Gang

(Nanjing Institute of Industry Technology,Nanjing 210024,China)

Abstract：In recent years, with the development of industrial and human activities has become increasingly frequent, ocean marine environment problem increasingly prominent. For real-time monitoring of marine environment and hydrological conditions, need to adopt the ship cruise, artificial monitoring or sow buoys, etc. However, due to the complexity of the surface of the harsh natural environment, and the resources constraint, the above method can′t meet the needs of real-time monitoring for the sea. In order to solve this problem, this paper puts forward a new type of wireless sensor network, collect and transfer the relevant data in real time. The network consists of sensor and the buoy sensor data transmission adopts the wireless communication mode, this paper study the structure of the network, and designed the system prototype.

Key words：wireless sensor network; marine; monitoring system

作者簡介：汪剛 (1978-) 男，講師，研究方向為計算機軟件研究與開發、信息網絡及安全技術研究。

基金項目：江蘇省智能傳感網工程技術研究開發中心開放基金資助項目

收稿日期：2014-07-13； 修回日期： 2014-09-08

文章編號：1672-7649(2015)01-0182-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.039

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A