基于ZigBee技術的無線傳感器網絡在海洋生態環境監測中的應用研究

劉鳳慶,馬海寬，吳寧，馬然，曹煊

(齊魯工業大學(山東省科學院)山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

當前海洋生態環境原位監測的主要方式有海洋基站和平臺兩種，不管哪一種方式都需要布設多種傳感器[1]和主控系統[2]，設備之間主要通過線纜連接進行通信。由于海洋環境的鹽霧腐蝕性[3]、潮濕性以及海水或風造成的震動性等特點，線纜連接存在易松動、易腐蝕、易短路等風險，同時隨著布設傳感器數量的增多，線纜布設難度也越來越大，所以迫切需要一種更高效、更簡潔的通信方式來取代原來的線纜通信方式。目前,物聯網技術[4]在海洋生態環境監測中的應用方式主要有兩種:一種是數據采集器搭載RS232轉ZigBee或者RS232轉藍牙通信[5];另一種是采用CDMA模塊進行無線通信[6]。這兩種應用方式存在集成度低、采集智能化程度低、可靠性差等缺點。

本文設計的基于ZigBee無線通信方式和linux嵌入式平臺的設計方案，通過在linux操作系統下設計控制軟件實現數據采集任務，具有控制靈活、可靠性高、環境適應性強等優點。

1 系統總體設計

無線傳感器網絡系統總體設計包括主控制器節點和傳感器節點的硬件設計、無線傳輸網絡設計和主控軟件設計3部分，系統的總體框架結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

主控制器采用三星Exynos4412 ARM芯片，搭載linux操作系統，通過在此操作系統平臺上開發主控軟件實現數據采集功能。主控制器集成有WiFi模塊和ZigBee模塊，通過這兩個模塊實現無線數據傳輸。

無線傳輸網絡由互聯網、4G無線網絡[7]和ZigBee無線網絡[8]共同構成。海洋基站或平臺內設置4G無線路由器，通過此無線路由器實現基站或平臺與外部互聯網的網絡連接；主控制器通過WiFi模塊連接4G無線路由器實現網絡通信功能；主控制器與海洋生態傳感器之間通過ZigBee模塊組成無線傳感器網絡，實現主控制器和終端海洋生態傳感器之間的數據采集和傳輸。

2 硬件設計

2.1 主控制器設計

主控制器由核心板和底板構成，核心板和底板之間通過4組板對板連接器連接。核心板采用三星Exynos4412芯片作為主控芯片，采用SCP封裝方式，板載1 G內存，結構如圖2所示。底板設計集成了各種功能電路模塊，包括電源及接口模塊、顯卡資源及接口、實時時鐘RTC模塊、USB接口模塊以及WiFi擴展接口模塊和ZigBee擴展模塊等。

圖2 核心板結構圖

2.1.1 底板電路設計

主控制器底板根據應用需求設計和布局電路，基本功能模塊包括電源及接口模塊、顯卡資源及接口、實時時鐘RTC模塊、USB接口模塊等。除了基本功能模塊之外，本設計的兩個核心功能模塊有WiFi擴展接口模塊和ZigBee擴展模塊。

(1)WiFi擴展接口模塊

核心板主控芯片通過板對板連接器與底板上的WiFi模塊連接，如圖3所示。在linux系統內核中對設備節點進行定義后，重新編譯帶有WiFi驅動模塊的內核文件，然后將新編譯生成的內核文件寫入主控芯片，經聯網配置后即可進行網絡通信。

圖3 WiFi模塊原理圖

(2)ZigBee擴展模塊

ZigBee模塊集成在主控制器底板上，通過讀、寫兩個引腳與核心板的主控芯片引腳相連，如圖4所示。底板為其提供3.3 V直流電源，并通過RXD和TXD兩根通信線與主板主控芯片進行數據傳輸。主控芯片內的linux內核無需ZigBee模塊驅動程序，使用時按照通信協議發送數據包即可實現通信。

圖4 ZigBee模塊原理圖

2.2 海洋生態傳感器硬件設計

海洋生態傳感器的硬件部分在原來RS232通信方式的基礎上進行了改進。電路中的MAX232芯片輸出端連接到DL-LN33無線通信芯片引腳，并通過轉換芯片將傳感器中的5 V直流電源轉換為3.3 V直流電源給DL-LN33芯片供電，如圖5、6所示。

圖5 MAX232芯片電路圖

圖6 DL-LN33芯片及電源供電電路圖

3 網絡設計

3.1 網絡拓撲結構設計

ZigBee無線自組網模塊具有上電后自動組網功能。模塊工作時，與周圍的模塊自動組成一個無線多跳對等網絡，不需要中心節點，任意節點之間都可實現互相通信。

在海洋基站或者平臺的生態環境監測中，各個傳感器之間不需要互相通信，但是需要一個中心主控制器與各個傳感器分別建立通信，實現傳感器的管理和數據采集任務。所以在海洋基站或者平臺環境中，ZigBee無線傳感器網絡拓撲結構[9]適合采用星型結構，如圖7所示。

圖7 ZigBee無線傳感器網絡拓撲結構

整個海洋生態環境監測網絡由許多個小的ZigBee無線傳感器子網絡構成。各個子網絡以各自的主控制器為路由節點，通過互聯網連接為一個大的樹型網絡[10]，在聯網終端設備上可以對任意子網絡的主控制器進行數據查詢或控制操作，如圖8所示。

圖8 海洋生態環境監測網絡整體結構圖

3.2 ZigBee無線傳感器網絡的實現

3.2.1 無線傳感器網絡節點設計

ZigBee無線傳感器網絡由主控制器中心節點和多個傳感器節點構成。主控制器作為中心節點，采用了核心板加底板的設計模式，在底板上集成一個DL-LN33無線自組網模塊。每一個海洋生態傳感器作為一個外圍終端節點，采用現有成品傳感器外接無線自組網模塊的方式，使所有具有有線通信功能的傳感器均可作為無線傳感器網絡的外圍節點，如圖9所示。

圖9 無線自組網模塊及電路原理圖

傳感器節點采用現有成品傳感器連接ZigBee無線通信模塊的方式構成一個終端節點。海洋生態傳感器種類多種多樣，目前主流傳感器主要采用4線制水密線纜進行傳感器供電和通信，其中2根線作為電源供電線，2根線作為RS232或者485的串口通信線。本文設計的無線傳感器網絡，對現有主流傳感器具有兼容性，通過在原傳感器主控板的串口通信端口連接無線通信模塊，將原有線通信方式轉換為無線通信方式。

3.2.2 無線傳感器網絡節點配置

ZigBee無線自組網模塊是一種自組網多跳無線通信模塊，工作于2.40 GHz～2.45 GHz無線頻率。通過將各個模塊的信道和網絡ID設為相同值，IP地址設為不同值的方式，使模塊在工作時能夠與周圍模塊自動組成一個無線多跳對等網絡。如圖10所示為1個主控制器節點與3個傳感器節點組成的網絡拓撲圖，網絡建立后可通過發送標明源地址和目的地址的數據包實現各個節點間的通信。

圖10 網絡拓撲圖

4 軟件設計

在基于無線傳感器網絡的海洋生態環境監測系統中，各個傳感器節點只與主控制器節點進行通信，傳感器節點之間無通信需求。主控制器作為整個網絡系統的中心，通過在主控芯片上移植linux系統內核[11]和QtE文件系統設計主控軟件的方式，實現無線傳感器網絡的海洋生態數據采集功能。主控軟件界面及功能流程如圖11所示。

5 系統測試

5.1 通信測試

為了驗證該ZigBee無線傳感器網絡在海洋生態監測環境中的穩定性和可靠性，在青島團島附近海域海洋實驗站分別對系統的通信丟包率和數據可用性進行了為期1個月的測試，數據結果如圖12、13所示。結果表明，系統數據采集過程中因通信故障造成的數據丟包情況較少，各采集數據在正常值范圍之內，該無線傳感器網絡可以在海洋生態環境監測中應用。

圖12 31天數據丟包率統計圖

圖13 生態參數實時采集圖

5.2 功耗測試

為了驗證系統主控制器節點和傳感器節點的功耗性能，在實驗室中分別對主控制器和單臺傳感器進行了功耗測量。將主控制器和傳感器分別連接到2臺穩壓電源上，電壓設定為5 V保持不變，啟動主控制器并建立主控制器節點與傳感器節點之間的連接，保持在持續數據采集的工作狀態。記錄主控制器節點的最大電流為0.29 A，傳感器節點最大電流為0.09 A。

6 結論

本文基于ZigBee技術設計實現了可用于海洋生態環境監測的無線傳感器網絡，并將其用于海洋基站和浮標等平臺。實驗結果表明，此傳感器網絡采集數據穩定、可靠，同時能夠降低線纜成本和損耗，具有可行性和實用性，可用于海洋生態環境長期監測，對發展和探索海洋具有重要意義。