基于无线射频传输技术的海洋环境监测系统的设计

摘 要：针对海洋环境管理需求，利用短距离无线通信在数据采集中的优势，提出并开发了基于无线射频传输技术的海洋环境监测、传输系统，完成海洋生态环境监测、数据实时处理。系统以CC2420无线射频传输模块和MSP430单片机为核心，由上位机和下位机两部分构成。上位机和下位机之间通过CC2420无线收发模块和PL2303转换芯片完成数据的无线传输。

关键词：海洋环境；监测节点；无线数据传输；MSP430；CC2420

前言

海洋占据了地球七成多的面积，孕育着无数的生命和财富。随着经济的发展，人们对于海洋过度捕捞和污染，致使近些年来，海洋赤潮现象频发，严重影响了海洋生态的平衡。保护海洋资源首先应当从做好海洋环境监测出发，对于造成海洋污染的物质及源头进行监控，从而有效的保护海洋生态平衡。为做好海洋环境的监控，需要建立大范围的海洋数据采集点来确保采集数据的可靠性。为做好对海洋水质数据的采集，通过使用以单片机为控制核心的海洋数据采集监控系统，来实时对监控区域内的海洋水质进行检测，并将检测的数据通过无线信号发送至数据中心进行分析处理。相对于传统的依靠线缆进行数据传输的海洋水质监控设备在方便性、可靠性以及简易性等方面都有了极大的提高。

1 海洋环境监测系统的组成及工作原理

海洋环境监测系统主要是为了测量海洋水质、海洋环境以及水文气象等多种海洋生态环境的参数。并对可能发生的海洋自然灾害（如海浪、风暴潮、海冰、海洋温、盐流三维结构、厄尔尼诺）等进行数据的测量及灾害的预测。保障我国对于海洋的合理开发利用。海洋环境监测系统主要是由从站和主站组成，其分别负责对于海洋数据的测量及对于测量数据的收集处理，其结构及功用分别如图1所示。

在海洋环境监测系统中的从站中，其使用单片机MSP430F149为控制核心，通过各种传感器实现对于海洋环境中的温湿度、营养盐、重金属、有机污染物、化学耗氧量、致病菌、石油污染物、有机磷农药等的检测，并将传感器测得的数据通过数模转换后通过使用无线通信发送至海洋环境监测系统总站中。在海洋环境监测系统总站的硬件组成中主要采用MSP430F149作为主控核心，通过使用CC2420数据接收模块来接收来自于海洋环境监测系统从站中的测量数据，而后将所收集到的数据进行整理归类并显示在主控机中。海洋环境监测系统对所接收到的海洋环境参数进行分析和比对，当数据超出设定值时进行报警。

2 海洋环境监测系统硬件组成

2.1 海洋环境监测系统中的传感器模块

海洋环境监测系统中的从站需要放置在待测海域进行海域水质数据的检测，从而使得其缺乏持续的电力供应，因此，又必须要选用低功耗的传感器来延长其工作时间，在海洋环境监测系统的传感器中主要包括有温湿度、营养盐、重金属、有机污染物、化学耗氧量、致病菌、石油污染物、有机磷农药等多个方面的传感器，以满足海洋环境监测的要求。

2.2 海洋环境监测系统中的处理器

海洋环境监测系统采用的是MSP430F149 单片机，其具有低功耗、功能强大且环境适应能力强等优点，且能够在-40～+85℃的温度区间内工作，极为适应海洋环境监测系统对于处理器的要求。

2.3 海洋环境监测系统中的通信模块

海洋环境监测系统从站需要从检测海域与主站进行数据交换，因此需要选用传输功率大、功耗低、传输速率快的无线通信模块，为达到这一要求选用的是CC2420通信芯片，此芯片支持IEEE802.15.4，工作片段为2.4GHz，是一种优秀的有源RF收发器件。CC2420通信芯片功耗低，其工作时接收所耗电流仅为17.4mA，处于发射状态时的耗费电流为19.7mA；其工作电压为2.1～3.6V，是一种极为优秀的通信芯片，能够适应海洋环境监测系统从站在海上的通信要求。

2.4 海洋环境监测系统中的数据存储模块

在海洋环境监测系统的硬件组成中选用M25P80芯片作为监测系统的数据存储芯片，此芯片支持速度达50MHz的SPI兼容总线的存取操作，能够把程序快速加载到设备的RAM内存中。在具有高速、稳定工作特点的同时其工作电压低、功耗低，能够在适应海上较大的昼夜温差的同时，满足海洋环境监测系统从站在海上工作的要求。

2.5 海洋环境监测系统中的电源管理

电源管理是海洋环境监测系统中的重要组成部分，其决定着海洋环境监测系统从站在海上的工作时间，选用TPS60210芯片，此芯片是一种工作在3.3V的低功耗管理线性稳压芯片。能够适应海上复杂的工作环境。

2.6 单片机与PC机的通信电路

海洋环境监测系统为确保主站与电脑的数据交换，在硬件中加入了RS232转USB的转换接口，使用PL2303专用转换芯片，其具有双向数据流缓冲器和片上USB收发器，确保海洋环境监测系统与PC机之间的数据通信。

3 海洋环境监测系统的软件编制

以上完成了海洋环境监测系统中的硬件搭建，为确保海洋环境监测系统的正常工作需要编制相应的软件，软件选用IAR WorkbenchV2.10为开发平台，使用C语言作为编制语言，软件编程的基本思路是：先对MSP430F149时钟、定时器、SPI、CC2420控制端口初始化；使能SPI、UART 端口，使能ADC，对CC2420芯片初始化；SPI 接口主要负责MSP430F149与CC2420射频芯片之间进行数据收发，数据在时钟的上升沿有效，SPI总线发送数据采用查询方式。开启接收机后，就可以运行任务程序了，以实现接收或发送数据。CC2420的初始化流程如图2所示。

无线传感器节点每定时5min 启动一次采集，将采集到的数据通过无线方式发送给监测仪。传感器主要工作流程如图3所示。

数据发送流程图如图4所示。在接收状态下，当SFD全部接收完时电平变高。FIFO引脚在接收缓冲寄存器中有一个或多个字节的数据时会变成高电平。第一个字节是帧长度，即当帧长度字节存入RXFIFO时FIFO引脚就变高，直到寄存器RXFIFO中的数据为空时FIFO引脚变低。FIFO引脚在新数据帧的最后一个字节被接收后会变高电平。

数据接收流程图如图5所示。

4结束语

我国具有广阔的海岸线，近些年来随着经济的发展以及民众环保意识的提高，海洋环境越来越为人们所重视，做好对于海洋环境的监测，有利于了解影响海洋生态平衡的影响因素。海洋环境监测系统是一种应用于海洋环境参数测定的监测系统，通过在海洋环境监测系统从站中设计多种传感器，可以方便的对海洋环境参数进行测定，通过采用无线传输的方式，极大的提高了监测系统的适用性，文章在介绍海洋环境监测系统组成的基础上对海洋环境监测系统设计中的要点进行了阐述。通过试验表明，该测试系统数据传输可靠，测量精度比人工测量方式高，降低了人工劳动强度，提高了工作效率。

参考文献

[1]王吉富，马建仓.基于单片机控制射频芯片CC2420无线通信的实现[J].微处理器应用，2007（5）：71-72.

[2]陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]洪利，等.MSP430单片机原理与应用实例[M].北京：北京航天航空大学出版社，2010.

[4]Chipcon AS Smart RF CC2420 Preliminary Datasheet（rev 1.2）[Z].2004-06-09.

[5]葛明涛，尚怡君.USB 转 RS232 通信接口的設计[J].光盘技术，2009（7）：51-52.

作者简介：郭祥东（1964，2-），男，福建福州，福州职业技术学院副教授，主要研究方向为无线传感器网络、嵌入式技术。