基于無線傳感器網絡的海洋環境監測系統研究

吳勇劍，劉曉飛，林森，苑克磊

（國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266061）

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。狩獵。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。

1 系統的工作原理及其結構

1.1 結構

該系統主要由觀測傳感器網絡、智能無線傳感器網絡和實時信息系統組成。子系統完成了監控數據的采集、傳輸和處理，完成了整個系統的數據處理、制作、發布等功能。圖1顯示了子系統的邏輯連接和功能實現。

1.2 系統的工作原理

基于無線傳感器組網技術，集成網絡拓撲和低壓技術，能耗高。大量的傳感器注釋被隨機分配來監視該區域，海洋環境信息對微處理器的采集和處理通過無線通信模塊發送50個中繼網關節點。然后，對輸入的有用數據進行處理后，通過專家研究將數據傳送到主控中心，完成決策過程、預測等管理功能，這些數據可以在多個節點的處理過程中傳播，每個節點在運行調整過程中相互配合，按照優先原則快速成立通信網絡能源利用任務部門，獲取監控區域的信息。

2 監控傳感器節點的硬件設計

傳感器備注、數據采集模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和流量控制模塊通常由八個模塊組成。

圖1

2.1 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。

2.2 無線模塊

ZigBee技術是一種低生產率的工業無線通信模塊，只有在外部設備有限的情況下，才能保證短距離通信的有效性和可靠性。支持250kbits的傳輸速度，保證多點到多點的快速連接。

2.3 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。

2.4 電源

它主要為傳感器、微處理器和無線收發器提供能量。第一種可以使用3.6伏充電的鋰離子電池來提高能源效率和利用率，實現小型化。1節電池自放電量較低，但標稱容量較小，耐用性有限。如果可以用2節電池供電，可以長時間保持工作。

3 智能無線傳感器網絡（WSN）的硬件設計

每個傳感器節點采用分布式處理策略，在網絡中通過聚合分析和處理收集信息，并對結果數據進行本地管理。計算的增加將在發送節點引導數據的數據之前交換數據流。經過一定的壓縮后，網關節點是無線傳感器網絡與外部網絡之間的通信站，負責發送ID地址分配等功能，如數據集成、仲裁請求和路由選擇。接收節點是從無線適配器模塊通信（通常是一個接收器）及其功能來設計的。節點由無線通信適配器（通常是匯聚點）和CDMA數據傳輸模塊組成。

3.1 無線接收單元

無線接收機和微處理器繼續使用CC2420芯片和MSP430F149芯片將數據封裝到MSP430F149集成模塊中。采用雙通道UART接收：數據。數字傳感器接口可以通過端口直接連接到CDMA無線模塊，初始化CDMA模塊，實現收發功能的啟動。同時，UART2也可以擴展為包括MAX232標準數據，用于字符串和其他嵌入式系統或PC的交換。

3.2 遠程控制單元

由于主控制中心和節點之間的距離，聯網成本非常高。利用現有的CDMA網絡平臺，可以將數據和信息以透明的方式傳送到遠程控制中心進行決策。Ayg-93c嵌入式CDMA模塊和51單片機系統，可靠性高。其主要特點是：雙頻開關覆蓋面積大，保證通訊暢通；標準RS-232接口，數據終端隨時在線；工業級表和抗干擾設計，嵌入式TCP/IP可以通過安裝點來實現標準串行數據的實時傳輸接口和簡化的軟件接口，用戶擺脫了乏味的標準CDMA協議。

4 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。系統架構考慮了數據通信方式和現有的軟硬件平臺。海洋環境監測功能的復雜性和多樣性要求系統及其軟件的現代化和擴展。

5 軟件設計

傳感器節點軟件包括監控節點、網關節點、主機節點通信和數據庫軟件。MSP430節點和檢測節點的系列微處理器軟件支持編程。用MSP430編寫的程序具有良好的可移植性。主控中心軟件設計。主控中心的核心必須有主控中心的上位機，具有網絡喚醒、數據處理、路由維護等功能。軟件的主要功能是對軟件進行前臺分析。客戶端軟件分為控制、參數設置、綜合統計和權限管理四個模塊，客戶端軟件包括自動提醒功能模塊。

6 研究

基于almisp430的WLAN傳感器網絡監控系統在小型試驗中表現出良好的穩定性，在特殊情況下，它可以記錄監控、傳輸和處理信號。它所處網絡中的節點數連接計算機無線CDMA接口模塊作為控制中心，當監控節點從主網站啟動時，與傳感器節點相連。傳感器節點啟動后，進入待機狀態，向中心發送地址查詢，啟動中斷并發送消息。再次將數據發送到待機模式。網絡時間由主機控制確保不發生訪問沖突。

7 結語

該系統包括無線傳感器技術、嵌入式計算機技術、現代網絡技術、無線通信技術和分布式智能通信技術。數據處理技術可以創建具有相同或不同屬性的智能傳感器網絡。智能無線網絡控制系統具有中電平、短時間、低成本的能源，無線網絡，高頻傳輸，低成本，可以使用多種能源，必要時節能；系統具有良好的可擴展性和輕微的改進，可擴展到測量系統中的多參數海洋阻力剖面測量。每個傳感器都可以相互配合，實現一個數據傳輸，多個傳感器具有很強的適應性支持。