海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計

姚抒均，鄭凱，石學(xué)濤，耿銘晨，劉儒

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

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和海洋發(fā)展的深化，我國的海洋環(huán)境污染問題日益突出。因此，迫切需要加強(qiáng)海洋環(huán)境的保護(hù)，而目前限制整體的海洋環(huán)境保護(hù)的一個重要因素就是我國缺乏一些先進(jìn)的海洋環(huán)境保護(hù)、科學(xué)技術(shù)的監(jiān)測和科學(xué)評估手段。本文完成了海洋監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)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(jiān)測起到了啟迪作用。

1 海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其中采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集，監(jiān)控終端通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。海洋環(huán)境監(jiān)測信息管理子系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和分析，并根據(jù)分析結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和分析。系統(tǒng)的底層是部署在受監(jiān)控海域中的各種傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)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(yīng)單元。陸地上的監(jiān)視終端位于上方，主要包括用于接收傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)備，用于監(jiān)視區(qū)域的視頻獲取模塊以及用于發(fā)送監(jiān)視數(shù)據(jù)的無線通信模塊。最終數(shù)據(jù)被傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，該監(jiān)控中心主要包括用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信模塊，用于接收數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)預(yù)處理的工業(yè)計算機(jī)以及用于數(shù)據(jù)存儲、計算和發(fā)布的服務(wù)器。

2 傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文主要利用傳感器技術(shù)對海水的PH、氧氣濃度、鹽度、水溫進(jìn)行檢測。傳感器對于數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

（2）無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和命令的傳輸。當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)送命令以讀取數(shù)據(jù)時，該命令通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收器節(jié)點，然后該命令通過接收器節(jié)點的無線通信模塊發(fā)送到傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點完成數(shù)據(jù)獲取，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器節(jié)點。宿節(jié)點通過串口連接將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控終端，最后通過3G傳輸。通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，以完成數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)娜^程。

圖1 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

（3）數(shù)據(jù)采集功能：通過各種傳感器獲取監(jiān)測區(qū)域的空氣溫度和濕度，水流方向，水溫和鹽深等環(huán)境信息。

（4）視頻監(jiān)控功能：通過攝像機(jī)監(jiān)控區(qū)域的實時動態(tài)信息。

（5）數(shù)據(jù)通訊功能：將多個傳感器的監(jiān)控數(shù)據(jù)整合到監(jiān)控區(qū)域，通過3G通信技術(shù)將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器，監(jiān)控中心將通過Internet技術(shù)發(fā)布監(jiān)控結(jié)果。

（6）環(huán)境監(jiān)測管理：環(huán)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(huán)境的一個檢測的工作。

3 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

建立的傳感器網(wǎng)絡(luò)需要具有高效的數(shù)據(jù)傳輸效率和最大的節(jié)點功率效率，因此ZigBee協(xié)議憑借其高效的傳輸效率用于傳感器節(jié)點之間的通信。ZigBee工作在2.4GHz頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。傳輸距離取決于傳輸功率的大小和應(yīng)用?，F(xiàn)在，某些產(chǎn)品的傳輸距離已達(dá)到2英里。

本文將Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片用作傳感器節(jié)點的控制核心。它使用具有128KB可編程閃存和8KB內(nèi)存的8位MCU（8051）。它還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），多個計時器，AES-128協(xié)處理器，看門狗計時器，32kHz晶體振蕩器睡眠模式計時器，復(fù)位電路，掉電檢測電路和21個可編程設(shè)備I /O設(shè)備當(dāng)中。

傳感器廣泛用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，例如自動生產(chǎn)線，自動加工設(shè)備，智能檢測儀器等。出現(xiàn)了許多新領(lǐng)域。在許多基礎(chǔ)科學(xué)研究中，第一個障礙在于獲取對象信息的困難。新機(jī)制和高靈敏度檢測傳感器的出現(xiàn)將導(dǎo)致該領(lǐng)域的突破。某些傳感器的開發(fā)通常是某些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。傳感器廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源，海洋開發(fā)，生物工程，生命科學(xué)等領(lǐng)域。

它主要包括溶解度，pH，電導(dǎo)率，濁度，氧化還原電勢，特殊離子等。一般而言，海洋化學(xué)傳感器落后于物理傳感器。盡管現(xiàn)代傳感器在其他領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，但由于惡劣的海洋環(huán)境，被測物體的復(fù)雜性和各種干擾因素，它們不能移植到海洋環(huán)境監(jiān)測中，給海洋環(huán)境的開發(fā)和應(yīng)用帶來了許多困難。監(jiān)視傳感器。因此，提高海洋環(huán)境監(jiān)測水平，關(guān)鍵是發(fā)展海洋傳感器技術(shù)。對于許多前沿科學(xué)和新興技術(shù)而言，需要配備新的傳感器技術(shù)，沒有傳感器就無法形成和促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)。新型傳感器與計算機(jī)的結(jié)合，不僅使計算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個新時代，而且顯示了傳感器技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

（1）PH傳感器：本文所設(shè)計的海洋監(jiān)測系統(tǒng)的PH傳感器是采用sensoryt 700 IQ SW是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字傳感器，可以連接到IQ傳感器網(wǎng)絡(luò)。它具有自動存儲和校正數(shù)據(jù)的功能。用于測量海水的pH值。

（2）溶解氧傳感器：本文所設(shè)計的海洋監(jiān)測系統(tǒng)是來自Fdo700iq SW是一種光學(xué)發(fā)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(tài)，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(jiān)測和傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>

（4）水溫傳感器：本文所設(shè)計的海洋監(jiān)測系統(tǒng)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(huán)境中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，在無人值守的情況下，傳感器節(jié)點需要收集和發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點的能量供應(yīng)是整個網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的有力保證。為了實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作，將節(jié)點的能量供應(yīng)單元設(shè)計為：電源供應(yīng)模塊，充電管理模塊，雙電源切換管理模塊。

4 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作流程

所設(shè)計的海洋監(jiān)測系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的一個主要工作流程如圖2所示。系統(tǒng)在開始工作之后，完成一步初始化的動作；系統(tǒng)初始化完成之后，用戶可以根據(jù)自己的實際需要來完成定時時間的設(shè)置的工作；定時時間設(shè)置完成后，開始進(jìn)行定時，定時動作完成之后，整個系統(tǒng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送的一個任務(wù)；最后完成對于海洋環(huán)境的一個信息的采集的工作。

圖2 傳感器節(jié)點的工作流程

圖3 匯聚節(jié)點工作流程

圖3為匯聚節(jié)點的工作流程。節(jié)點的匯聚主要是采用的ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)，安全和應(yīng)用軟件的技術(shù)。 它使用全球自由頻帶進(jìn)行通信，并且可以在三個不同的頻帶中進(jìn)行通。系統(tǒng)在接收處理完成整個數(shù)據(jù)的整理之后，利用節(jié)點將信息傳遞出去最終發(fā)送給監(jiān)測終斷，完成信息傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>

與藍(lán)牙等無線通信技術(shù)相比，ZigBee采用DSSS技術(shù)，具有低復(fù)雜度，低成本，低功耗和低速率的特點。從采集節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲起來，并將反饋信號發(fā)送到采集節(jié)點。 最后，節(jié)點將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)視終端。

5 總結(jié)

本文主要完成了對于整個海洋環(huán)境監(jiān)測的一個總體的需求分析，需求分析之后完成了整體的構(gòu)架的設(shè)計；整體的構(gòu)架設(shè)計完成之后，在整個海洋監(jiān)測的硬件和軟件進(jìn)行進(jìn)一步的概述；并且針對了無線傳輸進(jìn)行了重要的介紹，傳感器節(jié)點完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和維護(hù)，采用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和上傳，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控終端的無縫連接。最終，本文的海洋監(jiān)測系統(tǒng)有很大的使用價值，可以完成對于整個海洋環(huán)境完成多角度的監(jiān)測，有助于改善整體的海洋環(huán)境。