水声传感器网络节点的设计

于乐 苏新彦等

摘 要：此处主要研究的是水声传感器网络节点。要解决两个问题：其一，功耗问题；其二，无线电波在水中衰减比较大。在此从芯片选型、硬件电路设计到软件控制过程均要考虑低功耗问题。仅将传感器置于水下，而节点则漂浮于水上，两者通过特殊的线连接，避免节点的无线电波受干扰，导致数据传输的不准确。最后利用设计好的节点在水中做实验，通过上位机显示出波形，并用Matlab软件对数据进行仿真，证实了此系统的可行性。

关键词：水声；传感器网络节点；低功耗

1 系统总体结构

水声传感器网络是指将能耗很低、具有较短通信距离的水下传感器节点部署到指定海域中，利用节点的自组织能力自动建立起网络[1]。传感器模块是直接将传感器置于水中；处理模块采用4片低功耗AD7264采集芯片进行8通道信号采集，主控芯片用FPGA芯片来驱动4片AD7264；单片机作为外部控制更好地以状态方式控制FPGA系统，单片机选用低功耗系列MSP430；无线通信模块通过MSP430对nRF24L01无线收发芯片的驱动，实现无线指令及数据的传输；电源模块用电池直接供电；系统采集到的信号通过一个外置存储器存储起来。

2 系统重要部分的硬件设计

2.1 模/数转换

本设计采用AD7264芯片来实现模数转换。AD7264采样率高达1 MSPS，5V单电池供电；跟踪和保持采集时间为400ns，正常模式静态时功耗为105mW，断电模式时为2.625mW[2]。

2.2 无线传输模块

无线传输模块是通过单片机控制射频芯片实现的。射频芯片选用无线收发芯片nRF24L01[3]。该芯片的五种工作模式中Power Down的工作电流最小仅900nA。因此为了降低整个系统的功耗，当系统不需要时，先将芯片置于Power Down模式。根据基于CMOS工艺的处理器的功耗公式：

P=CV2f

选工作电压范围为：1.8～3.6V的单片机MSP430F1611芯片可以有效降低系统的功耗[4]。（图1）

3 实验结果

为了验证本系统是否可以实现，我们进行了小的实验。将传感器放置于水下，与水上的节点相连，在水中制造发声，通过传感器、AD7264、无线收发模块采集传输数据，在上位机上最终显示出水声波纹。如图2所示，左边的图为上位机所显示采集到的水波。上面一条为通道0采集到的波形，下面一条为通道1采集到的波形；右边的图为利用Matlab软件对采集到的數据仿真出的波形图。水声信号1是通道0采集到的，水声信号2是通道1采集到的。

4 结束语

这里针对于水声传感器网络节点的两个问题进行了研究，提出了节点低功耗的设计方法和将节点漂浮于水面的方法，采用低功耗芯片设计外围电路，实现了水声传感器网络节点的设计。经过实验，通过上位机将结果以波形显示出，并用Matlab对数据进行仿真证明了此系统的可行性。

参考文献

[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]周维龙.基于FPGA的智能变送器的设计与开发[D].湖南：湖南大学，2010.

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

[4]曾勇，杨涛，冯月晖.基于nRF24L01的超低功耗无线传感器网络节点设计[J].电子技术应用，2008（7）：45-48.

作者简介：于乐（1990-），女，硕士研究生，中北大学，主要研究方向：无线传感器网络。