基于无线传感器网络的海洋水环境监测系统的设计

引言
近几年来，随着海洋事业的迅速发展，海洋环保已经提上议事日程。因此，海洋水环境监测成为人们越来越关注的焦点。
无线传感器网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域，能够实时地感知、采集和处理网络覆盖范围内的对象信息，并发送给观察者。它具有覆盖区域广，可远程监控，监测精度高，布网快速和成本低等优点。把无线传感器网络技术应用到海洋水环境监测系统中，是人们近几年来研究的焦点。
Zigbee与其他的无线通信标准相比，适用于吞吐量较小，网络建设投资小，网络安全性高，不便于频繁更换电源的场合。在工业控制领域利用传感器基于Zigbee技术组成传感器网络，可以使得数据采集和分析变得方便和容易。Zigbee网络用于传感网络的组建很重要的一点在于它的低功耗，其发射功率仅为0～3．6dBm；它的通信距离可达30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，可以自动地对自身的发射功率进行调整，可以在保证通信链路质量的前提下最小地消耗能量。网络功能是Zigbee最重要的特点，也是与其它无线局域网标准不同的地方。在网络层方面，Zigbee的主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组态与自我修复功能。
IEEE802．15．4规范是一种经济、高效、低数据速率(250kb／s)、工作在2．4GHz和868／928MHz的无线技术，网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和链路层标准。完整的zigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成。协议栈结构如图l所示。

1 传感网络的构成
本文设计的无线传感器网络的组成包括传感器节点、汇聚节点和网关节点，主要负责探测海洋区域内的各种情况，包括油污检测、浊度测量、化学需氧量测量、海藻测量等等。
传感器节点主要负责网络的形成，海洋各项参数的采集，并将数据通过多跳的形式传输到汇聚节点。
汇聚节点是无线传感器网络的中心节点，负责网络的发起，拓扑的形成与维护，网路数据的汇聚与处理，与监控系统的通信与信息交互。汇聚节点是传感器节点终端节点中能力较强的一种。
网关节点接收来自其他节点的数据，并对数据进行校正、融合等处理，然后发送给监测中心。对于监测中心所发指令进行相应处理，用来确定各个节点的工作状态。
后台监测中心负责对发送回来的海洋参数数据进行汇总与处理，网络拓扑的控制，网络的监护等工作。
整个海洋监测系统由一定数量的传感器网络终端节点、少量汇聚节点、一个网关节点以及后台监测系统组成。为了探测一定区域，需要在该区域内布置一定数量的传感器节点，以达到对整个区域的覆盖，并且需要一个网关节点完成对来自传感器终端的数据的融合，上传给后台监测系统，完成数据的分析与处理。从网关节点到监控中心距离一般都比较远，可采用现有的GPRS网络进行远程数据传输。GPRS网络连接费用相对低廉，传输速率较高，性价比较高，而且能够永远在线。传感网络结构示意图如图2所示。

传感器终端节点与汇聚节点能够自动形成一个自组织、多跳的网络。传感器终端节点按指令采集数据，并将数据及时地通过自适应的路由、多跳中继后传输给网关节点，网关节点将汇集的数据打包后，转发给后台监控系统。

2 硬件设计
本海洋监测系统中的传感器节点是传感网络中最重要的部分，其硬件包括微处理器单元、一个zigbee通信模块及电源管理模块；汇聚节点硬件包括微处理器单元、两个Zigbee通信模块及电源管理模块；网关节点硬件包括微处理器单元、一个Zigbee通信模块、一个GPRS模块及电源管理模块。
2．1 节点微处理器MSP430F149单片机
由于无线传感器网络节点需要将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，可选择一款集成有AD转换功能的微控制器。另外，无线传感器网络节点除完成数据采集功能外，还要完成数据转发和路由功能，因而要有足够的处理能力、程序空间及数据空间。本设计MCU采用的是MSP-430F149单片机，它是TI公司生产的一种16位超低功耗混合信号处理器，称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。其突出优点是低电源电压、超低功耗。由于为FLASH型，所以可以在线对单片机进行调试和下载程序。
MSP430F149低频辅助时钟采用32kHz时钟晶振直接驱动，可作为后台实时时钟实现自唤醒功能。集成的高速数字控制振荡器(DCO)频率为8MHz，可作为CPU的主系统时钟(MSLK)源，也可以作为CPU的子系统时钟(SMCLK)源。