基于无线传感器网络的海洋水环境监测系统的设计

2010-11-13 21:11:09来源: 电子技术

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。

  2.2 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2.4GHz频段。CC2420是一款符合IEEE802.15.4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IEEE802.15.4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250kb/s,可实现多点对多点的快速组网。  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I/O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I/O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。CCA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I/O口与CC2420相连,主要起查询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。

 

[1] [2]

关键字:海洋水环境监测  无线传感器网络  Zigbee  IEEE  节点

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2010/1113/article_3208.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
海洋水环境监测
无线传感器网络
Zigbee
IEEE
节点

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 视频监控 智能卡 防盗报警 智能管理 处理器 传感器 其他技术 综合资讯 安防论坛

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved