水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

于樂 蘇新彥等

摘 要：此處主要研究的是水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。要解決兩個(gè)問題：其一，功耗問題；其二，無線電波在水中衰減比較大。在此從芯片選型、硬件電路設(shè)計(jì)到軟件控制過程均要考慮低功耗問題。僅將傳感器置于水下，而節(jié)點(diǎn)則漂浮于水上，兩者通過特殊的線連接，避免節(jié)點(diǎn)的無線電波受干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟粶?zhǔn)確。最后利用設(shè)計(jì)好的節(jié)點(diǎn)在水中做實(shí)驗(yàn)，通過上位機(jī)顯示出波形，并用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，證實(shí)了此系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：水聲；傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；低功耗

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)是指將能耗很低、具有較短通信距離的水下傳感器節(jié)點(diǎn)部署到指定海域中，利用節(jié)點(diǎn)的自組織能力自動(dòng)建立起網(wǎng)絡(luò)[1]。傳感器模塊是直接將傳感器置于水中；處理模塊采用4片低功耗AD7264采集芯片進(jìn)行8通道信號(hào)采集，主控芯片用FPGA芯片來驅(qū)動(dòng)4片AD7264；單片機(jī)作為外部控制更好地以狀態(tài)方式控制FPGA系統(tǒng)，單片機(jī)選用低功耗系列MSP430；無線通信模塊通過MSP430對(duì)nRF24L01無線收發(fā)芯片的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無線指令及數(shù)據(jù)的傳輸；電源模塊用電池直接供電；系統(tǒng)采集到的信號(hào)通過一個(gè)外置存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起來。

2 系統(tǒng)重要部分的硬件設(shè)計(jì)

2.1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換

本設(shè)計(jì)采用AD7264芯片來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7264采樣率高達(dá)1 MSPS，5V單電池供電；跟蹤和保持采集時(shí)間為400ns，正常模式靜態(tài)時(shí)功耗為105mW，斷電模式時(shí)為2.625mW[2]。

2.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊是通過單片機(jī)控制射頻芯片實(shí)現(xiàn)的。射頻芯片選用無線收發(fā)芯片nRF24L01[3]。該芯片的五種工作模式中Power Down的工作電流最小僅900nA。因此為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，當(dāng)系統(tǒng)不需要時(shí)，先將芯片置于Power Down模式。根據(jù)基于CMOS工藝的處理器的功耗公式：

P=CV2f

選工作電壓范圍為：1.8～3.6V的單片機(jī)MSP430F1611芯片可以有效降低系統(tǒng)的功耗[4]。（圖1）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)是否可以實(shí)現(xiàn)，我們進(jìn)行了小的實(shí)驗(yàn)。將傳感器放置于水下，與水上的節(jié)點(diǎn)相連，在水中制造發(fā)聲，通過傳感器、AD7264、無線收發(fā)模塊采集傳輸數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上最終顯示出水聲波紋。如圖2所示，左邊的圖為上位機(jī)所顯示采集到的水波。上面一條為通道0采集到的波形，下面一條為通道1采集到的波形；右邊的圖為利用Matlab軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)仿真出的波形圖。水聲信號(hào)1是通道0采集到的，水聲信號(hào)2是通道1采集到的。

4 結(jié)束語

這里針對(duì)于水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)問題進(jìn)行了研究，提出了節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)方法和將節(jié)點(diǎn)漂浮于水面的方法，采用低功耗芯片設(shè)計(jì)外圍電路，實(shí)現(xiàn)了水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，通過上位機(jī)將結(jié)果以波形顯示出，并用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真證明了此系統(tǒng)的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]Akyildiz I. F， Pompili D， Melodia T. State of the art in protocol research for underwater acoustic sensor networks[C]// Proc of the 1st ACM Int Workshop on Underwater Networks. New York：ACM，2006：7-16.

[2]周維龍.基于FPGA的智能變送器的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].湖南：湖南大學(xué)，2010.

[3]Paradiso J A， Starner T. Energy scavenging for mobile and wireless electronics[J].Pervasive Computing. IEEE，2005：19-26.

[4]曾勇，楊濤，馮月暉.基于nRF24L01的超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（7）：45-48.

作者簡介：于樂（1990-），女，碩士研究生，中北大學(xué)，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。