一种新型无线传感器网络在海洋监控系统中的应用

汪　刚

(南京工业职业技术学院,江苏 南京 210024)

一种新型无线传感器网络在海洋监控系统中的应用

汪刚

(南京工业职业技术学院,江苏 南京 210024)

摘要：近年来，随着工业的发展和人类海洋活动的日趋频繁，海洋环境问题日益突出。为了实时监控海洋的环境和水文状况，需要采用船舶巡航、人工监控或播撒浮标等方式。然而，由于海面复杂苛刻的自然环境，以及对于人力物力的约束，上述方法无法满足对于海面实时监控的需求。为了解决这一问题，本文提出一种新型无线传感器网络，实时收集并传输相关的数据。该网络由传感器和浮标组成，传感器的数据传输采用无线通信方式，本文对该网络的结构进行研究，并设计了系统原型。

关键词：无线传感器网络；海洋；监控系统

0引言

随着工业、旅游业的发展和城镇化进程的加快，近海海域尤其容易受到人类活动的影响和破坏。信息和通信技术的发展为解决这一问题提供了新的思路，通过实时监控相关海域的信息和数据，为更好地保护沿海环境提供了依据。因此，近年来各种新技术被应用于这一领域，从小规模的监控网络到大规模的沿海监控系统，层出不穷并取得了一定的效果。

在小规模网络应用中，无线传感器网络(WSN)受到了极大的关注，因为与其他技术相比，WSN更加容易部署、操作和移除，且传感器节点的价格也相对比较便宜。目前WSN已经被广泛应用于环境监控领域，在湖泊、河流、丛林等多种自然环境中发挥着至关重要的作用。除此之外，一些大型的监控系统也被付诸实践，通过电子化和信息化的海洋仪器，其能够实现功能更加复杂，信息更加丰富的监控任务，而学术界对于该类系统的研究也在持续推进之中[1-3]。

通过对WSN的研究和近海环境监控的需求分析，本文提出了一种利用无线传感器网络实现近海海域环境监控的全局解决方案。

该方案的主要目的是为了解决苛刻的海洋环境对于传感器节点硬件设备的影响。海洋环境通常极端且复杂，因而需要更高水平的设备保护机制、浮箱和锚泊系统。除此之外，由于海浪、潮汐、航运等造成的传感器节点漂移，可能会导致无线通信链路的不稳定，也是一个需要解决的问题。

1无线传感器网络框架

无线传感器网络框架如图1所示。网络由若干传感器节点、路由节点和协调节点组成。协调节点负责将接收到的传感器信息发送给位于移动基站的数据服务器。在本文提出的网络中，有4种类型的传感器节点：深度节点，测速节点，完全节点和洋流节点。深度节点用来测量海域的水温和水压；测速节点用来测量海域的海水流速；完全节点包括了测量潮汐、含盐量等功能的节点；洋流节点用来测量海水的浑浊度，以及含氧量等参数。所有的传感器节点均部署在同一深度，大多数节点被放置在海底，并与漂浮在海面的浮标相连。但是对于温度测量传感器来说，传感器被垂直部署，每个传感器间的距离为1 m。

图1　传感器网络框架图Fig.1　The architecture of wireless sensor network

从图1可见，存在3个海峡连接了外部海域与海湾内部的泻湖，则随着海面风向的改变，泻湖与外部海域将会发生显著的洋流运动。因此，将测速节点部署在每个海峡中(图1中的CR1，CR2，CR3)。同时还需要知道海峡两端的深度，因而将深度节点D1~D6部署在相应位置。为了全面了解泻湖的水文情况，完全节点CP1和CP2也被部署。为了了解海水浑浊度、含氧量等其他参数，部署洋流节点W1。

不同的传感器节点将采集到的信息通过单跳或多跳方式，发送给协同节点C1、C2、C3。或者通过GPRS将采集到的信息直接发送给基站，采用这种方式的原因是某些节点部署的距离相对较远，其自身的通信功率难以进行有效的数据传送，如图中的W1，根据当前的通信标准，传感器节点的有效通信距离在2 km之内。

如图1所示，各种传感器之间的通信过程由3个子网组成，每个子网均是无线个域网(ZigBee)拓扑结构(星型、树型、网状)。在星型网络中，协调节点被部署在网络的中央；在树型网络中，协调节点作为树的根节点，其他节点采用多跳路由与其通信；在网状拓扑中，协调节点至少有2条链路与其连接；在以上各种拓扑中，可能某些节点同时充当传感器节点和路由节点，同时也存在专用的路由节点，如图1中的Router Node，用来覆盖整个传感器网络区域。

不同节点之间的通信采用ZigBee。ZigBee是一组根据IEEE 802.15.4制定的标准，采用低频段，用来实现低速率的个域网通信。这一标准的主要目标是为了满足某些应用，需要在低速率情况下，尽量满足较大的通信量和安全性要求，从而节省传感器设备的使用功耗。ZigBee是一种多跳的通信协议，当通信双方无法通过直接发送数据通信时，可以采用两者直接的其他节点中继消息，完成数据传输[4]。

在本文中，采取20 min的信息采集间隔，在大多数情况下，这一采集间隔能够满足需求，在实际应用中，可以灵活调整这一时间间隔，但同时会增加传感器节点的功耗。

2传感器节点结构设计

与应用于陆地环境的无线传感器网络不同，由于海洋中极端和苛刻的自然条件，会对各种传感器节点产生极大的影响，制约其工作的效能，从而对传感器节点的设计提出了更高的要求。由于本文设计的传感器与浮标相连，因而结构设计分为水上部分和水下2个部分。

在水上部分的设计过程中，需要考虑以下几个需求：1)可视性：易于被水面船舶发现；2)环保性：使用环境友好型材料；3)稳定性：抗各种海况；4)经济性：制造和实施的费用较低等。

通过综合考虑传感器节点在制造、部署、使用等多个节点的具体需求，本文设计了的传感器节点结构水上部分和水下部分如图2所示。

图2　传感器节点结构图Fig.2　The structure of sensor node

在水上部分，通信管道是一根长3 m，直径25 mm的不锈钢管。这根不锈钢管穿过直径40 cm的浮筒，1.5 m在水上，1.5 m在水下。电子设备和电池被放置在一个尺寸为12 cm×12 cm×9 cm、防护程度为IP-67的水密箱中，同时在水密箱上部安装有1个信标灯和1个8 dB的通信电线。

供电系统由2个太阳能电池板组成，成45°倾斜，可以在多个方向收集太阳能，同时也可以充当雷达反射器。配重为7 kg，连接于不锈钢管的下端，同时还有一个系锚，为传感器节点提供稳定性，防止传感器节点的漂移。采集信息的传感器也被放置于水下部分，并通过通信管道与水上部分的电子设备相连。

除此之外，天线的高度也应当仔细设计，当进行较长距离的通信时，较短的天线高度可能会无法提供需要的传播路径。根据菲涅尔带理论，可通过测量菲涅尔半径，确定相应的天线高度。

同时，在设计天线高度时，也需要综合考虑天线覆盖范围和结构的稳定性，尽管较高的天线能够覆盖更大的通信范围，但也会影响浮标的稳定性。

3传感器节点的电子设计

传感器节点的微电子模块由2块电路板组成，设计目标是开发一种多功能的传感器节点，能够应用于不同的WSN，出于这种目的，还需要设计相应的接口电路，使得该节点能够应用于本文提出的方案。

传感器节点的主板为多环境无线节点主板(MEWiN)，包含了多数无线传感器节点中的必要模块，其构造如图3所示。

图3　传感器节点主板Fig.3　The main-board of the wireless sensor node

低功耗CPU是平台的核心，负责传感器节点的功能调用和控制。另一个重要模块为实时低功耗时钟(real-time clock，RTC)，该时钟可以实现各个节点的全局同步。

除此之外，通过增加SD内存，将能够允许传感器节点将收集的数据暂存，在合适的时候将数据发送，从而避免了数据的丢失。

本文通过分析海上应用的具体环境，对图3中主板进行改进，改进后的主板如图4所示。其包含1个RS232接口模块和1个乘法器，支持将2个传感器相连。

图4　海上传感器主板设计图Fig.4　The main-board of the sea-sensor node

4用户应用设计

对于海上无线传感器网络来说，国内外已经有若干项目致力于研究如何对其性能和应用进行仿真和模拟，因而相继开发出若干种用户应用，应用于不同的领域，如海洋监测、船舶导航等。本文中将采用由LabVIEW开发的用户界面，下面对该用户应用的界面、应用方法等进行初步介绍。

图5　基于Google地图的应用Fig.5　Application based on Google earth

图5展示了本文开发的一种应用，这个应用允许借助Google地图，将传感器网络中的节点位置和部署情况，在地图中实时地显示出来，具有较好的可视性和较低的实现难度。其中每个网络都由不同的颜色区分，并使用ID进行标识。点击节点的标识，能够显示该节点最近收到的消息。如图5所示，节点12已经被选中，其显示的上一条信息是网络1中的节点2发送的。

图6中显示的是水压、电池电量、电子设备的温度等信息。

该应用中包含了一个数据可视化选项。用户可以选择需要的网络和合适的时间间隔，来查看传感器的历史数据。如图6所示，曲线显示了2月17日-4月14日的温度数据。

图6　信息显示应用Fig.6　The application on information display

5实验测试

由于本文所提方法中传感器节点的设计具有较高的集成度，因而在实际环境中使用之前，需要在实验中对其性能表现进行测试，以验证其有效性。

本文设计了一种测试应用，能够让传感器节点工作在POWER_SAVING模式下，读取电池电量信息和温度信息，同时根据RTC的时间，将采集到的数据存储在SD内存中，并将这些数据定期发送给协调节点。与此同时，协调节点监听通信信道，接收来自传感器节点的信息，并将这些信息储存在SD内存中。

在实验中，数据收集的间隔为10 min，该采集频率高于实际应用中的采集频率，保证了实验的严谨性。综合考虑信标灯的能量消耗和各种天气状况及海况，本文得到的相应数据如图7所示。通过实验仿真，图7显示了一个月的时间内，电池电量的数据，电池在标称电压下工作，且设定太阳能电池板以最高4.2 V的电压进行充电。

图7　实验数据图Fig.7　The result of the test on battery

此外，还需在真实环境下测试本文提出方案的可靠性和水密性。以上测试结果表明，本文提出的方案具备一定的可行性和实用性，能够实现一定范围内海域的实时监控。

6结语

本文描述了一种用于海洋监控的新型无线传感器网络，对该传感器网络中使用的无线传感器节点进行了详细设计。研究了其水上部分的各种结构，描述了各个模块的功能、形状和位置以及水下部分的框架，给出了设计图示。同时，对本文使用的传感器进行了电子设计，对其主板进行了研究和改进，并依据以上分析和研究，进一步设计了用户应用，以支持本文提出的海洋监控应用场景。最后，利用实验测试，验证了本文提出方案的可行性和实用性。

参考文献：

[1]JARADAT M A K,ALNIMR M A,ALHAMAD M N.Smoke modified environment for crop frost protection:a fuzzy logic approach[J].Comput Electron Agric,2008(2):104-110.

[2]KUANG K S C,QUEK S T,MAALEJ M.Remote flood monitoring system based on plastic fibres and wireless motes[J].Sensors and Actuators A:Physical.,2008(2):449-455.

[3]XIPING Y,KEAT G O,DRESCHEL W R,et al.Design of a wireless sensor network for long-term,insitu monitoring of an aqueous environment[J].Sensors,2002(2):445-472.

[4]李希友,尹文茂.数字温深传感器的研究与应用[J].舰船科学技术,2009,31(10):89-94.

LI Xi-you,YI Wen-mao.The research and application on digital temperature and depth sensor[J].Ship Science and Technology,2009,31(10):89-94.

[5]周红进,钟云海，易成涛.MEMS惯性导航传感器[J].舰船科学技术,2014,36(1):123-128.

ZHOU Hong-jin,ZHONG Yun-hai,YI Cheng-tao.MEMS inertial navigation sensors[J].Ship Sience and Technology,2014,36(1):123-128.

Application of a novel wireless sensor network in sea surface monitoring system

WANG Gang

(Nanjing Institute of Industry Technology,Nanjing 210024,China)

Abstract：In recent years, with the development of industrial and human activities has become increasingly frequent, ocean marine environment problem increasingly prominent. For real-time monitoring of marine environment and hydrological conditions, need to adopt the ship cruise, artificial monitoring or sow buoys, etc. However, due to the complexity of the surface of the harsh natural environment, and the resources constraint, the above method can′t meet the needs of real-time monitoring for the sea. In order to solve this problem, this paper puts forward a new type of wireless sensor network, collect and transfer the relevant data in real time. The network consists of sensor and the buoy sensor data transmission adopts the wireless communication mode, this paper study the structure of the network, and designed the system prototype.

Key words：wireless sensor network; marine; monitoring system

作者简介：汪刚 (1978-) 男，讲师，研究方向为计算机软件研究与开发、信息网络及安全技术研究。

基金项目：江苏省智能传感网工程技术研究开发中心开放基金资助项目

收稿日期：2014-07-13； 修回日期： 2014-09-08

文章编号：1672-7649(2015)01-0182-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.039

中图分类号：TP393

文献标识码：A