海洋環境數據采集子系統設計

姚抒均，鄭凱，石學濤，耿銘晨，劉儒

（1.齊魯工業大學（山東省科學院），山東青島，266000；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東青島，266000）

隨著沿海經濟的快速發展和海洋發展的深化，我國的海洋環境污染問題日益突出。因此，迫切需要加強海洋環境的保護，而目前限制整體的海洋環境保護的一個重要因素就是我國缺乏一些先進的海洋環境保護、科學技術的監測和科學評估手段。本文完成了海洋監測系統的整體架構設計和具體完成所需的硬件、軟件的工作，以期為未來的整個海洋監測起到了啟迪作用。

1 海洋環境監測系統的總體架構

系統設計采用物聯網技術。其中采用無線傳感器網絡技術的數據采集子系統主要負責系統監控數據的采集，監控終端通過無線網絡通訊實現監控數據的傳輸。海洋環境監測信息管理子系統實現了監測數據的存儲和分析，并根據分析結果通過互聯網技術對數據進行傳輸和分析。系統的底層是部署在受監控海域中的各種傳感器節點。傳感器節點主要包括：傳感器單元，處理器單元，無線通信單元，能量供應單元。陸地上的監視終端位于上方，主要包括用于接收傳感器節點數據的傳輸設備，用于監視區域的視頻獲取模塊以及用于發送監視數據的無線通信模塊。最終數據被傳輸到監控中心，該監控中心主要包括用于數據傳輸的無線通信模塊，用于接收數據和數據預處理的工業計算機以及用于數據存儲、計算和發布的服務器。

2 傳感器節點的結構設計

本文主要利用傳感器技術對海水的PH、氧氣濃度、鹽度、水溫進行檢測。傳感器對于數據進行采集后傳入到MCU，MCU完成處理后，通過無線通信模塊送入用戶手中。其結構如圖1所示。

（1）數據采集單元是對傳感器與MCU進行通信和連接的十分重要的一環，通過ADC通道采樣傳感器收集的信息。微控制器完成數據處理、存儲、發送和接收以及管理電源模塊。

（2）無線通信模塊負責數據和命令的傳輸。當監控中心發送命令以讀取數據時，該命令通過3G網絡發送到接收器節點，然后該命令通過接收器節點的無線通信模塊發送到傳感器節點。傳感器節點完成數據獲取，并通過無線通信模塊將數據發送到接收器節點。宿節點通過串口連接將監控數據傳輸至監控終端，最后通過3G傳輸。通信模塊將數據上傳至監控中心，以完成數據采集與傳輸的全過程。

圖1 傳感器節點結構

（3）數據采集功能：通過各種傳感器獲取監測區域的空氣溫度和濕度，水流方向，水溫和鹽深等環境信息。

（4）視頻監控功能：通過攝像機監控區域的實時動態信息。

（5）數據通訊功能：將多個傳感器的監控數據整合到監控區域，通過3G通信技術將監控數據傳輸至監控中心服務器，監控中心將通過Internet技術發布監控結果。

（6）環境監測管理：環境的檢測主要是利用前文所提到的各種傳感器來完成對于實際的海洋環境的一個檢測的工作。

3 傳感器節點硬件設計

建立的傳感器網絡需要具有高效的數據傳輸效率和最大的節點功率效率，因此ZigBee協議憑借其高效的傳輸效率用于傳感器節點之間的通信。ZigBee工作在2.4GHz頻段，最高數據傳輸速率為250kbps。傳輸距離取決于傳輸功率的大小和應用。現在，某些產品的傳輸距離已達到2英里。

本文將Chipcon公司生產的CC2430芯片用作傳感器節點的控制核心。它使用具有128KB可編程閃存和8KB內存的8位MCU（8051）。它還包括模數轉換器（ADC），多個計時器，AES-128協處理器，看門狗計時器，32kHz晶體振蕩器睡眠模式計時器，復位電路，掉電檢測電路和21個可編程設備I /O設備當中。

傳感器廣泛用于工業和農業生產領域，例如自動生產線，自動加工設備，智能檢測儀器等。出現了許多新領域。在許多基礎科學研究中，第一個障礙在于獲取對象信息的困難。新機制和高靈敏度檢測傳感器的出現將導致該領域的突破。某些傳感器的開發通常是某些邊緣學科開發的先驅。傳感器廣泛應用于礦產資源，海洋開發，生物工程，生命科學等領域。

它主要包括溶解度，pH，電導率，濁度，氧化還原電勢，特殊離子等。一般而言，海洋化學傳感器落后于物理傳感器。盡管現代傳感器在其他領域得到了快速發展，但由于惡劣的海洋環境，被測物體的復雜性和各種干擾因素，它們不能移植到海洋環境監測中，給海洋環境的開發和應用帶來了許多困難。監視傳感器。因此，提高海洋環境監測水平，關鍵是發展海洋傳感器技術。對于許多前沿科學和新興技術而言，需要配備新的傳感器技術，沒有傳感器就無法形成和促進物聯網。新型傳感器與計算機的結合，不僅使計算機的應用進入了一個新時代，而且顯示了傳感器技術的廣闊應用領域和發展前景。

（1）PH傳感器：本文所設計的海洋監測系統的PH傳感器是采用sensoryt 700 IQ SW是標準的數字傳感器，可以連接到IQ傳感器網絡。它具有自動存儲和校正數據的功能。用于測量海水的pH值。

（2）溶解氧傳感器：本文所設計的海洋監測系統是來自Fdo700iq SW是一種光學發光的溶解氧傳感器，其膜片裝有短波光源的熒光燃料。通過返回被動狀態，長波被消除并記錄為測量信號。

（3）鹽度傳感器：它用于測量海水的鹽，其傳感器完成對于海水鹽度的監測和傳輸的工作。

（4）水溫傳感器：本文所設計的海洋監測系統的水溫傳感器是采用的wq101浸入式溫度傳感器是一種耐用的水溫測量裝置。輸出信號為4-20mA；測量范圍為-50℃～+50℃；測量精度為±0.1℃；在線最大壓力為50psi；工作電壓為10-36Vdc；工作溫度為-50℃～+ 100℃。

在海洋環境中應用無線傳感器網絡時，在無人值守的情況下，傳感器節點需要收集和發送數據，節點的能量供應是整個網絡正常運行的有力保證。為了實現傳感器網絡的正常工作，將節點的能量供應單元設計為：電源供應模塊，充電管理模塊，雙電源切換管理模塊。

4 傳感器網絡節點工作流程

所設計的海洋監測系統傳感器網絡節點的一個主要工作流程如圖2所示。系統在開始工作之后，完成一步初始化的動作；系統初始化完成之后，用戶可以根據自己的實際需要來完成定時時間的設置的工作；定時時間設置完成后，開始進行定時，定時動作完成之后，整個系統開始進行數據的采集和發送的一個任務；最后完成對于海洋環境的一個信息的采集的工作。

圖2 傳感器節點的工作流程

圖3 匯聚節點工作流程

圖3為匯聚節點的工作流程。節點的匯聚主要是采用的ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標準開發的有關網絡，安全和應用軟件的技術。 它使用全球自由頻帶進行通信，并且可以在三個不同的頻帶中進行通。系統在接收處理完成整個數據的整理之后，利用節點將信息傳遞出去最終發送給監測終斷，完成信息傳輸的工作。

與藍牙等無線通信技術相比，ZigBee采用DSSS技術，具有低復雜度，低成本，低功耗和低速率的特點。從采集節點接收到數據后，將數據存儲起來，并將反饋信號發送到采集節點。 最后，節點將存儲的數據發送到監視終端。

5 總結

本文主要完成了對于整個海洋環境監測的一個總體的需求分析，需求分析之后完成了整體的構架的設計；整體的構架設計完成之后，在整個海洋監測的硬件和軟件進行進一步的概述；并且針對了無線傳輸進行了重要的介紹，傳感器節點完成傳感器網絡的數據采集和維護，采用無線通信技術進行數據采集和上傳，實現了無線傳感器網絡與監控終端的無縫連接。最終，本文的海洋監測系統有很大的使用價值，可以完成對于整個海洋環境完成多角度的監測，有助于改善整體的海洋環境。