水聲傳感器網絡節點的設計

于樂 蘇新彥等

摘 要：此處主要研究的是水聲傳感器網絡節點。要解決兩個問題：其一，功耗問題；其二，無線電波在水中衰減比較大。在此從芯片選型、硬件電路設計到軟件控制過程均要考慮低功耗問題。僅將傳感器置于水下，而節點則漂浮于水上，兩者通過特殊的線連接，避免節點的無線電波受干擾，導致數據傳輸的不準確。最后利用設計好的節點在水中做實驗，通過上位機顯示出波形，并用Matlab軟件對數據進行仿真，證實了此系統的可行性。

關鍵詞：水聲；傳感器網絡節點；低功耗

1 系統總體結構

水聲傳感器網絡是指將能耗很低、具有較短通信距離的水下傳感器節點部署到指定海域中，利用節點的自組織能力自動建立起網絡[1]。傳感器模塊是直接將傳感器置于水中；處理模塊采用4片低功耗AD7264采集芯片進行8通道信號采集，主控芯片用FPGA芯片來驅動4片AD7264；單片機作為外部控制更好地以狀態方式控制FPGA系統，單片機選用低功耗系列MSP430；無線通信模塊通過MSP430對nRF24L01無線收發芯片的驅動，實現無線指令及數據的傳輸；電源模塊用電池直接供電；系統采集到的信號通過一個外置存儲器存儲起來。

2 系統重要部分的硬件設計

2.1 模/數轉換

本設計采用AD7264芯片來實現模數轉換。AD7264采樣率高達1 MSPS，5V單電池供電；跟蹤和保持采集時間為400ns，正常模式靜態時功耗為105mW，斷電模式時為2.625mW[2]。

2.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊是通過單片機控制射頻芯片實現的。射頻芯片選用無線收發芯片nRF24L01[3]。該芯片的五種工作模式中Power Down的工作電流最小僅900nA。因此為了降低整個系統的功耗，當系統不需要時，先將芯片置于Power Down模式。根據基于CMOS工藝的處理器的功耗公式：

P=CV2f

選工作電壓范圍為：1.8～3.6V的單片機MSP430F1611芯片可以有效降低系統的功耗[4]。（圖1）

3 實驗結果

為了驗證本系統是否可以實現，我們進行了小的實驗。將傳感器放置于水下，與水上的節點相連，在水中制造發聲，通過傳感器、AD7264、無線收發模塊采集傳輸數據，在上位機上最終顯示出水聲波紋。如圖2所示，左邊的圖為上位機所顯示采集到的水波。上面一條為通道0采集到的波形，下面一條為通道1采集到的波形；右邊的圖為利用Matlab軟件對采集到的數據仿真出的波形圖。水聲信號1是通道0采集到的，水聲信號2是通道1采集到的。

4 結束語

這里針對于水聲傳感器網絡節點的兩個問題進行了研究，提出了節點低功耗的設計方法和將節點漂浮于水面的方法，采用低功耗芯片設計外圍電路，實現了水聲傳感器網絡節點的設計。經過實驗，通過上位機將結果以波形顯示出，并用Matlab對數據進行仿真證明了此系統的可行性。

參考文獻

[1]Akyildiz I. F， Pompili D， Melodia T. State of the art in protocol research for underwater acoustic sensor networks[C]// Proc of the 1st ACM Int Workshop on Underwater Networks. New York：ACM，2006：7-16.

[2]周維龍.基于FPGA的智能變送器的設計與開發[D].湖南：湖南大學，2010.

[3]Paradiso J A， Starner T. Energy scavenging for mobile and wireless electronics[J].Pervasive Computing. IEEE，2005：19-26.

[4]曾勇，楊濤，馮月暉.基于nRF24L01的超低功耗無線傳感器網絡節點設計[J].電子技術應用，2008（7）：45-48.

作者簡介：于樂（1990-），女，碩士研究生，中北大學，主要研究方向：無線傳感器網絡。