基于无线传感器网络的海洋环境监测系统研究

耿铭晨，石学涛，刘儒，郑凯，姚抒均，施严

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院），山东青岛，266000；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛，266000）

1 传感网络的构成

在本文中，无线传感网络节点由一系列节点构成，其主要包括传感器节点、网关节点及一些汇聚模块等，能够对海洋环境的各种状况进行实时勘测，不限于化学需氧量测量、浊度测量、油污检测及海藻参数测量等。

在该模型的网络设计中，基于ZigBee协议的无线传感器网络收集了海洋环境的各种数据，并完成了节点控制功能。监控中心为用户提供各种数据信息并管理无线传感器网络。系统通过在每个节点上设置的数据收集单元和无线网络通信模块，将每个节点收集的信息上载到远程管理中心，以供监控人员进行分析和决策。整个模型主要包括两部分：管理中心监控软件和节点传感器数据采集控制系统。每个控制节点都有一个ZigBee通信模块。此外，该模型还包括GPRS通信模块或卫星通信系统，网络适配器等。

2 ZigBee通信协议设计及工作原理

2.1 通信协议设计

首先，节点采用定期自动报告数据的方法，可以由远程管理中心设置时间间隔，以确保数据的连续性。其次，节点可以随时响应远程管理中心的控制指令和设置参数，ZigBee通信模块在不接收或发送数据时进入休眠状态，可以大大降低系统功耗。

ZigBee技术支持的三个网络中，树形拓扑和网状拓扑是多跳网络，而星形拓扑是单跳网络。ZigBee无线传感器网络部署在实际的监视海域中，每个节点负责收集该区域中的各种传感器数据，例如温度，盐度，深度，洋流，叶绿素，浊度和其他信息，然后根据约定的通信协议逐点报告，归集到网络控制器。网络控制器会定期打包数据并将其通过GPRS通信网络上传到远程管理中心。管理中心服务器连接到Internet网络，允许每个授权用户通过网络访问它，以实现信息共享。

数据通信协议用于建立数据包，以便发送方和接收方可以处理该数据包并从中提取有效信息。数据包设置起始位和停止位（例如DA6B和CF5E）的特定代码，指示数据包的长度，并检查数据。此外，它还包含节点地址信息和每个传感器收集的数据。

在通信协议的设计中，节点地址（2个字节）包含每个节点的优先级信息。例如，将远程管理中心地址的第一个字节定义为0A，将每个宿节点地址的第一个字节定义为0B和0C。表示第一个被监视海域的子节点的地址，OD表示第二个被监视海域的子节点的地址，依此类推。每个节点理论上最多可以携带32个传感器，如果少于32个传感器，则保留其余数据位。

2.2 系统结构及工作原理

本文系统主要包括以下几个部分：智能无线传感网路系统、信息处理系统、监测传感器模块，其中每一个模块都具有重要的作用，首先监测模块都先对数据进行提取，然后对信息进行处理和传输，最后会将数据进行整体处理而形成。上述几个系统的功能实现图及逻辑关系图如图1所示。

图1 环境监测系统

上述系统主要核心技术采用无线传感网络技术，在集成对应一些低耗路由、一系列网络拓扑技术。系统作用主要是能够在监视区域分布很多无线传感节点，通过此节点来对海洋环境信息进行收集，再利用微处理器进行一系列后续处理，上述采用多跳方式也是通过通信模块实现。环境监测系统将数据发送网关节点后，数据会进行一系列处理，再将此数据通过主控中心进行传输，通过大量数据分析，该系统嫩巩固实现决策管理和预测功能。数据传输中，很多节点都会对数据进行优化处理，节点之间相互协调工作，迅速组织形成通信网络。上述系统划分任务都是采用优先级原则，这样能够监控更多区域。网络的自组织特征体现在节点故障或新节点加入时对网络的自适应重构中，以调整整体检测精度，充分发挥资源优势。

2.2.1 智能无线传感器网络硬件设计

智能无线传感器网络是一个网关节点（检测数据收集中心，即汇点），硬件设计中利用分布式处理方式。网关节点则是利用外部网络和无线传感网络进行中转，主要实现能够将上层指令下达（例如查询，分配ID地址等），也能够将其他请求数据进行发送和接收。它具有数据融合，请求仲裁和路由选择的功能。设计中的宿节点由无线通信适配单元（通常意义上的宿点）和CDMA数据传输模块组成。

2.2.2 节点的微处理器软件

单片机可以利用C语言编程实现，通常采用单片机都是MSP430系列，其适用于MSP430系列的C语言与标准C语言高度兼容，从而大大提高了软件设计和开发的效率，并增强了程序代码的可靠性，可读性和可移植性。 因此，使用C语言进行编程。

2.2.3 主控中心软件设计

主控中心是一个系统最主要核心部分，在主控模块上存在PC网络唤醒等功能，同时也包括一系列路由维护和处理多处理等功能。该系统上位功能利用Delphi来实现。本文中所使用软件分为两种，一种为后台客户端软件，另一种为前景分析类软件。前者主要表现形式为瘦客户端类型，其中包括以下模块构成实时检测、一系列参数配置、权限管理和综合类统计。后者主要表现为负责对接收到的数据进行分析。除去上述之外，包括一些自动报警等功能。通过多方面验证，上述系统是可行的。

3 监测系统试验结果与分析

采用无线传感器网络进行环境监测的系统，即使在小规模试验中同样能够取得了良好且稳定效果，此系统中的传感器数据也是比较符合生态要素的分布特征的。在监测区域的特殊环境下，该系统仍然可实现信号的采集、传输和处理。采用以下单跳网络进行湖上模拟实验。在网络中的每个节点都是代表一个固定的节点号。与计算机相连的无线CDMA接口模块就是作为控制中心，监控的起点就是传感器节点。当传感器节点打开时，它表示一种待机模式，当从中心接收到寻址请求时触发中断，并立即发送自己的消息。当系统发送数据后，系统会再次进入待机模式。主站统一控制整个网络序列，保证不发生访问冲突，实验效果较为明显。实验数据见表1所示。

表1 节点传感器实验采集数据

该系统使用单跳网络在海上地区进行模拟实验。当收到来自中心的寻址请求时，将触发中断，并立即发送收集到的数据信息。发送数据后，它将再次进入待机状态。整个网络序列由主站控制，以确保不存在访问冲突。

4 结束语

本文设计的无线传感器海洋环境监测系统功耗低，成本低，可靠性高，可扩展性强，能够及时有效地获取海洋环境监测数据。通过将ZigBee通信与GPRS和卫星通信相结合的技术方法，将功能相同或不同的无线智能传感器组成一个联网的智能传感器网络，这极大地提高了传感器的监视能力，为我国海洋环境决策提供了技术基础。