基于无线传感器网络海洋水环境监测系统设计

1、基于无线传感器网络海洋水环境监测系统设计引言近几年来，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

2、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036dBm；它的通信距离可达3070m，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。IEEE802154规范是一种经济、高效、低数据速率(250kbs)、工作在24GHz和868928MHz的无线技术，网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE8021

3、54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

4、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

5、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。21 节点微处理器MSP430F149单片机由于无线传感器

6、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

7、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。22 节点Zigbee通信模块CC2420本系统中无线传感器网络硬件中的Zigbee通信模块采用低功耗高性能的无线网络模块CC2420来实现，它工作在全球通用的24GHz频段。CC2420是一款符合IEEE802154标准的射频收发器，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和灵敏度指数超过IEEE802154标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性，利用此芯片开发的无线通信设备支持数传速率高达250kbs，可实现多点对多点的

8、快速组网。 CC2420发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被DAC转换为模拟信号，通过低频滤波器，直接变频到设定的信道上，再由天线发射出去。Zigbee通信模块CC2420与单片机的连接电路，如图3所示。CC2420只需要极少的外围电路，包括时钟电路、射频IO匹配电路和微控制器接口电路三部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可以由内部电路提供。由内部电路提供时需要外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用16MHz晶振时，其电容约为22pF。射频IO匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗。CC2420与微处理器的连接

9、非常方便，它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA四个引脚表示收发数据的状态；微处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令等。CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启动了地址辨识，在地址辨识失败后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO的缓存区状态，如果接收FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平；当接收FIFO缓存区为空，FIFO引脚输出低电平；当FIFO引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某个临界值时，或在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平临界值时，可以通过CC2420的寄存器设置。CC

10、A引脚在信道上有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效，在CC2420进入接收状态至少8个符号周期后，才会在CCA引脚上输出有效的信道状态信息。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成，微处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器。在访问过程中，CC2420是SPI接口的从设备，接收来自微处理器的时钟信号和片选信号并在微处理器的控制下执行输入输出操作。SPI接口接收或者发送数据时，都与时钟下降沿对齐，CC2420与MSP430F149是通过SPI连接的，其中MSP430F149处于主模式，CC2420处于从模式。MSP430F149还有4个IO口与CC2420相连，主要起查

11、询CC2420状态的作用。电源管理模块为传感器单元、处理器单元、无线通信模块提供能源，并对电源进行管理，以提高能量的利用率。23 系统IEEE802154工作模式IEEE802154规范中规定使用DSSS调制方式，CC2420中的调制和扩频功能框图如图4所示。每个字节分为两组符号，4位一组，低位符号首先传送，对于多字节域，则是低位字节首先传送，但是，与安全有关的域先传送高位字节。每个符号映射为一个超过16位的伪随机序列，即32位片码序列。片码序列以2Mchips的速率传送，对于每个符号，首先传送低位片码。调制方式为偏移正交相移键控，具有半个正弦的形状，相当于最小频移键控(MFSK)调制，每片的

12、形状通过半个正弦波交替在同相和正交相位信道传送。24 数据通信帧格式设置同步头包括前导序列和开始帧分隔符，在CC2420中前导序列长度和开始帧分隔符是能设置的，默认值4字节和1字节，是符合IEEE80 2154协议的；物理头位为1字节，帧控制和序列号分别为2字节和1字节：地址和源地址共6字节，待发数据段长度为帧长度减去地址和帧校验序列。当MODEMCTRL0AUTOCRC控制位置位时，这个帧校验序列自动产生2字节，并由CC2420硬件自动插入。3 软件设计本设计中，无线传感器网络是一个多路的自组织无线网络，可以实现自动组网，自动路由查询，自动数据采集与传输，软件设计上必须能够实现多跳自组织的功

13、能。另外，传感器节点必须要求极低的功耗，而低功耗除了硬件设计上的低功耗外，更重要的是软件设计的低功耗。此无线传感器网络终端在开机后首先进行自检，如果自检失败了，则进行硬件故障提示，而且自动关机。在自检通过后，进一步判断工作模式。传感器节点在自检通过后进入接入状态，如果接入失败则进入等待状态。处于等待状态的节点关闭射频收发器以节省功耗，当等待定时器溢出时，节点再次回到接入状态进行新的介入尝试。如果节点接入成功便转入业务状态。处于业务状态的节点，完成数据的采集与传输，对近节点数据的中继转发，新节点入网的介入确认等操作。节点为了实现低功耗，必须在业务状态(活动状态)与休眠状态之间轮换。软件开发以IA

14、R Embedded Workbench V210为平台，采用C语言编写。节点的MSP430系列单片机支持C语言程序设计。适用于MSP430系列的C语言与标准C语言兼容程度高，大大提高了软件开发的工作效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性。软件编程的基本思想是：先对SPI、CC2420控制端口初始化，使能SPI、UART端口，使能ADC，开机后，就可以运行任务程序，实现接收或发送数据及命令了。传感器节点、汇聚节点的工作流程如图5所示。对于网关节点的设计，接收数据部分仍采用CC2420无线收发模块，可以采用统一的传输协议，保证传输的可靠性；由于还要进行数据的处理，网关节点就不附加传感器了

15、，以便提高处理器对数据的处理能力，MCU统一采用MSP430F149单片机；同时，监控中心一般远离监测点，需要采用GPRS模块来实现数据的远程传输。其工作流程如图6所示。4 结论本文设计的有关海洋水环境监测的无线传感器网络综合运用了无线传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术和分布式智能信息处理技术，将功能相同或不同的无线智能传感器构成网络化、智能化的传感网络，大大提高了监测海洋各项参数的传感器的监测能力。这样的基于无线传感器网络的实时监控系统采用中短距离、低功耗无线网络，射频传输成本低；可根据需要采用多种供电模式，节能效果好；可实现灵活的快速组网和自动配置，扩展性好。以色列世界上

16、微灌技术的发展最有代表性的国家首推以色列，其温室种植全部采用微灌，以滴灌为主。拥有像耐特费姆、普拉斯托、美滋-雷鸥等多家世界著名灌溉公司。以色列温室滴灌的最高水利用率为95%，其滴灌产品分为两类：一是滴管类，二是滴头类。目前普遍流行的是一体化滴灌管(带)，即滴头和滴灌管结合为一体、安装使用非常方便。滴头间距一般为30、50、 75、100cm，管壁厚从0.15mm到2mm，有的一次性使用，有的寿命可长达20年。最新的产品主要是压力补偿型的内镶式滴管，有效提高了灌水均匀性，便于机械化长距离铺设。滴头类产品种类也很多，有管上式滴头、可拆卸滴头、压力补偿滴头。其新近研制的压力补偿式滴头可靠改变水流通

17、道的长度来调节流量，且进入压力补偿的状态较快，均匀度较高，在水流进口还安有过滤装置。在运行开始和结束有自冲洗功能，能减少堵塞。以色列开发了一系列用于温室灌溉的微喷头产品。每个微喷头的耗水量大约在30L/h300L/h之间，喷洒半径1m6m。这种灌溉方式可以使水的有效利用率达85%。开发出的系列化缝隙式、折射式、旋转式微喷头及连接件产品，材质好、耐磨损、喷洒效果好、外观精美。近几年来推出的脉冲式微灌技术代表着一种新的灌水方式的应用，节水效果更好，但成本也相对较高。微灌方法的采用，给施肥技术带来了极大的变化，它导致了一个全新的概念水肥灌溉的兴起，滴灌系统进行施肥，直接接触植物的根部，可以避免浪费，

18、这是一般施肥方法所不具备的。自动施肥系统应用已非常广泛，施肥器受计算机或小型控制器控制，以实现精确施肥。主要有泵注方式、文丘里式、压差式、水驱动混合注入式等，其中水驱动混合注入式应用越来越广泛。以色列有许多专业生产过滤器的厂家，根据用户需要可提供几个到几十个过滤器组成的过滤站，专门用于处理微灌水源，且自动化程度高，采用了电磁阀控制开关和反冲洗。主要产品有网式、叠片式、离心式、砂石式过滤器。新型叠片过滤器的特点一是叠片流道设计采用曲面形式提高了过滤面积，扩大了水流量，减少了水头损失；二是设计了反冲洗流道，在正常工作状态下无需打开，仅旋转外壳一定角度就可方便地实现反冲洗污物，十分方便。微灌方式普遍

19、采用计算机控制。埋在地下的湿度传感器，可以传回有关土壤湿度的信息。还有的传感系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化，来决定对植物的灌溉间隔。在温室等设施内较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制几路或十几路。在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线、有线)的农场主。以色列开发出多个系列的农业自动灌溉的配套阀门，如电动和水动遥控电磁阀、减压阀、调压阀、安全或止回阀、逆止阀和流量控制阀等。美国美国是目前世界上微灌面积推广最多的国家，1991年就已超过了60万公顷，约占全国当时总灌溉面积的3%，雨鸟公司生产出流量为2L/h、4L/h、8L/h的压力补偿滴头、非压力补偿滴头及应

20、用广泛的紊流压力补偿滴灌带。该种滴灌带紊流态出水，抗堵塞性较好，压力补偿功能使得出水均匀，并可埋于地下，减少蒸发损失。微喷头品种较丰富，主要有折射式和旋转式，每个系列有多种喷嘴和多种喷洒形式，并能方便装拆和清洗。配套产品也很发达，包括多系列的滤网过滤器、压力调节器、化肥农药注入器及各种类型的控制器。化肥农药注入器是由泵辅助将溶液连续定量注入微灌管道的专用装置，拥有14个流路，注入流量为O57L/h，每一路均配有流量计和调节阀。同时也生产系列文丘里式化肥农药注入器。电磁阀品种规格非常丰富，有的产品带过滤功能，能在运行状态下清洗，还有的产品带调压组件，保证压力恒定。控制器有机械电子式和电子式交流与

21、直流多种自动控制器，其中ESP-MC控制器分8、12、16、24、32及40站6种型号，最多可控制 120个电磁阀，可设置4种控制程序，一站可在一天内多次开启，适合微灌频繁的特点。在温室使用自动灌溉控制效果尤为明显。澳大利亚澳大利亚是世界上推广微灌面积较多的国家之一。其制造的薄壁滴灌带滴头贴压在漓灌带内壁上，多进口入口过滤、紊流流道和激光狭道出口提高了防堵能力，同时减少了根茎侵入。还开发出许多补偿式滴头及微喷头。微喷头用均流器使其具有压力补偿作用，当压力变化时保持出水均匀。并提供各种喷洒图形满足作物不同生育期和作物大小的灌溉需要。法国法国的DOSATRON肥料农药混合器代表了当今国际领先水平。

22、工作原理是：水流进入混合器内，驱动主活塞，与之相连的注入器活塞跟随上下运动，从而吸入待注的物品溶液进入混合室。其特点是不用电力依靠水压驱动，能调节浓度，有较好精度控制。工作压力(0.36.0)105Pa，可调整0.2%10%的注入比例。流量为10L/h20L/h，较普通压差式施肥精度有很大提高。一、智慧农业主要内容1、以开发利用智能专家系统为先导，对气候、土壤、水质等环境数据的分析研判，系统规划园区分布、合理选配农产品种，科学指导生态轮作。2、基于物联网技术，通过各种无线传感器实时采集农业生产现场的光照、温度、湿度等参数及农产品的生长状况等信息，远程监控生产环境。将采集的参数和信息进行数字化转

23、化后，实时传输网络平台进行汇总整合，利用农业专家智能系统按照农产品生长的各项指标要求，进行定时、定量、定位云计算处理，及时精确地遥控指定农业设备自动开启或者关闭（如远程控制节水浇灌、节能增氧、卷帘开关等），实现智能化、自动化的农业生产过程。3、通过在生产(加工)环节给农产品本身或货运包装中加装RFID电子标签，并在运输、仓储、销售等环节不断添加、更新信息，从而搭建有机农产品安全溯源系统。有机农产品安全溯源系统加强了农业生产、加工、运输到销售等全流程数据共享与透明管理，实现农产品全流程可追溯，提高了农业生产的管理效率，促进了农产品的品牌建设，提升了农产品的附加值。能温室系统是一种结合了计算机自控

24、技术、智能传感技术等高科技手段的资源节约型高效设施农业技术，它主要是根据环境的温度、湿度、二氧化碳含量、光照、雨量以及土壤状况等因素，来控制温室内的各项指标和各种营养元素配方，以创造出适合作物生长的最佳环境。很显然如何能够准确、稳定、方便的得到这些环境信息就成为整套系统的关键。随着近几年短距离无线通信的发展，新兴的无线传感网技术为智能温室系统中的传感环节提供了有力的技术保障。依靠多年来在短程无线通信标准、芯片和产品技术领域的积累，独立研发了能够支持大规模自组织、自维护无线传感网络的协议栈，即USSN（Ultra-Scale Sensor Networks）技术，并以此技术为基础开发了具有自主独

25、立知识产权的智能温室无线温湿度采集系统，能够提供全天候、无人看守、免维护且不依赖电源的无线温湿度采集服务。USSN是指由若干无线采集终端通过无线方式互相连接成的网络。如果在一定范围内设有若干个无线采集终端，任意一点的数据都可以被其他邻近的节点转发。数据转发可以倍数增加两点间的通信距离，且扩大网络覆盖范围。终端数据最终通过网络传递后汇集到数据收集端，再由收集端通过其他通讯协议和方式传送给上位机，其示意结构如下图：系统意义：智能温室是智能化控制系统应用到大棚种植上的结果，利用最先进的技术，模拟出最适合棚内植物生长的环境。与人工控制相比，智能控制最大的好处就是能够相对恒定的控制大棚内部的环境，对于环

26、境要求比较高的植物来说，更能避免因为人为因素而造成生产损失。智能化控制系统将极大的提高产量和质量，尤其是对于档次较高的经济作物。功能描述：整套系统由无线数据采集器、无线开关控制器、无线数据网关（可多个）、PC和网络服务器（可选）组成。网关与采集器和控制器采用USSN传感网技术进行无线连接，每个网关下面可同时连接上百个终端设备，且所有终端自动组网，同步工作。网关与PC或网络服务器则通过以太网或移动通讯网络连接。采集终端集成了高精度温湿度传感器。所有终端之间采用无线连接方式，并且可全部使用电池供电，免去了电源线和数据线的安装问题，使其随意更换位置成为可能。在实际应用中，采集终端可以根据实际需求集成

27、温度、湿度、光照、二氧化碳浓度和土壤环境等各种传感器。无线传感器数据采集器装有预留端子，可根据需要外接土壤温湿度、光照等多种传感器。无线线开关控制器可与原有电控系统并联，可用于控制卷膜机、卷帘机、风机、灌溉装置等。网关在系统中处于核心地位，所有传感器采集的数据都要汇集到网关中，所有对终端的控制指令也都要通过网关向下发送。网关内置了强大的操作系统，可对网络和数据进行维护和储存。PC机通过网线或局域网直接登陆网关后，可进行系统设置、采集网络管理、查看数据、绘制图表、导出数据等操作。网关同时具备远传能力，通过局域网或3G将所有的配置数据和采集数据一并传到网络服务器上，此种模式支持多用户同时登陆网络服

28、务器对网关的数据进行查看。无线数据网关和网络服务器都提供了功能强大，且界面友好的软件。用户根据不同操作权限登陆网关或网络服务器后，可进行系统设置、采集网络管理、查看数据、绘制图表、导出数据、报警管理等操作。典型应用：我们以集中式大棚养殖为例，来讲解无线温湿度采集系统在实际中的典型应用，请见下图：在实际大棚种植中，各区域可能养殖不同的农作物，他们对于温湿度的要求不尽相同，所以需要定时的对这些指标进行检测，以便采取相应的措施，为作物提供最合适的生长环境。根据实际检测的需求，可以将无线温湿度采集终端安装在相应的位置，所有的温湿度采集终端全部采用电池供电，并且通过无线方式进行数据传送，所以无需考虑电源

29、线和数据线的安装问题，可以做到即插即用。在安装过程中，需要确保每个终端都可以连接到无线网络中。如果有个别监测点位置距离较远，可考虑在通讯路径中增加终端个数，转发较远终端的数据，保证网络工作稳定。所有终端被正常安装后，会根据数据收集器的指令自动组建无线网络，按照预设的时间间隔采集温湿度值，并把数据汇集到无线数据网关中。最终所有的数据会通过GPRS或3G网络传送到远端的管理中心。每一个这样的网络都可以容纳几百甚至上千个采集终端，每个大区域内配备一个网关，数据有效上传，不会发生碰撞及丢失，网关将数据及时传至大网中，只要通过网络访问网关，即可随时获取数据。系统特点：系统采用3G+USSN的全无线架构，

30、无需布线施工，维护成本低USSN无线传感器网络技术符合IEEE802.15.4C国际标和CWPAN国家标准，绿色、环保、无辐射USSN传感网具有全网同步的超低功耗特性，节能的传感器节点使用普通电池供电可工作1年以上网络自动负载均衡，网络内所有无线节点功耗可评估，且功耗相仿自动组网、自维护、网络连接可视，全天候稳定运行，无需人工干涉所有的无线采集器安装简便，即插即用，可以任意改变安装位置，不受线缆的束缚良好的网络扩展能力，随意增加和减少采集终端数量，同一网络中可支持几百个采集器和控制器跳频和加密认证机制，保证系统安全可靠运行管理方式多样，用户可通过直接访问网关或网络服务器对所有的监控进行管理管理软件界面友好，且功能强大，保证数据的记录、分析及时准确，系统稳定可靠无线传感网独立工作，无需缴纳任何费用，多采集器数据统一通过一个网关发送，节省3G流量费。技术指标：为满足系统的普遍需求，系统终端只集成温湿度传感器，其他传感器可定制。温湿度采集终端：高精度温湿度传感器温度测量：范围 -20100 精度 +0.4湿度测量：范围 0%99% 精度 +3%射频参数：工作频段 ISM 2.4GHz 发射功率 1mW通讯距离：两点间室内30米，室外100米能耗指标：采集间隔15分钟时，采用两节南孚AA1.5V电池可工作2年，时间根据采集间隔和实际环境浮动环境信息和动植物