近海岸無線監(jiān)測浮標系統(tǒng)的應用研究

趙榮陽

摘要：文章描述了近海無線監(jiān)測系統(tǒng)的結構，并著重介紹了系統(tǒng)內浮標節(jié)點的軟、硬件設計方案。系統(tǒng)浮標節(jié)點使用太陽能電源并備用電池，通過相應電源模塊實現(xiàn)管理；使用北斗通信模塊完成浮標Zigbee無線監(jiān)測網絡與地面數(shù)據(jù)接收中心的數(shù)據(jù)傳輸。

關鍵詞：北斗；浮標；Zigbee；監(jiān)測網絡

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）06-0105-02

Application Research on Inshore Wireless Monitoring System

ZHAO Rong-yang

（School of Electronic and Information Engineering， Qinzhou University， Qinzhou 535011， China）

Abstract： The paper describes the structure of inshore wireless monitoring system.It gives more detailed description of software and hardware. buoy nodes with solar power systems and battery for backup were managed by power supply module. The system uses Beidou satellite system for transmitting data Between wireless monitoring network and data center .

Key words： beidou； buoy； Zigbee； monitoring network

近年來海洋帶來的經濟效益比重越來越大，海洋開發(fā)的熱度也愈演愈烈，帶來經濟效益的同時，也給環(huán)境帶來了巨大的壓力。圍海、填海、港口等工程的建設，陸地工業(yè)、生活污染物流入海洋[1]，導致海洋環(huán)境的富營養(yǎng)化、重金屬污染、油污等情況日益嚴重，特別是對近海海域的漁業(yè)養(yǎng)殖、海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響巨大，海洋開發(fā)與保護的矛盾日益突出[2， 3]。因此，完善的海洋監(jiān)測體系與管理制度顯得日趨重要。

1 海洋監(jiān)測浮標系統(tǒng)總體結構

我國的海洋浮標系統(tǒng)起步較晚，但發(fā)展迅速，浮標分布地域廣泛，在黃海、渤海、東海、南海等海域都有部署，浮標類型也較為豐富，包括海洋氣象浮標系統(tǒng)、生態(tài)監(jiān)測浮標等。但是，浮標造價、維護以及海岸線范圍廣闊等原因，浮標系統(tǒng)存在部署點較少、覆蓋網絡范圍受限，成本相對較高等問題[4]。

浮標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方式主要采用CDMA、GPRS、衛(wèi)星等[5]，伴隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的逐步完善與民用化，微電子技術、物聯(lián)網技術等的快速發(fā)展，構建低成本、網絡化、全天候的海洋浮標監(jiān)測系統(tǒng)變得切實可行。海洋浮標系統(tǒng)一般包括：數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點、數(shù)據(jù)信息匯聚節(jié)點、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、蜂窩網絡、地面信息中轉站以及監(jiān)測數(shù)據(jù)中心等部分組成[6]。海洋浮標監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 浮標節(jié)點設計

浮標按照特性不同，類型劃分方法也不同，較為常見的分類主要是依據(jù)浮標大小或者功能來加以區(qū)分，并具有一定的聯(lián)系。例如：用以監(jiān)測海洋氣候、水文等要素的水位氣象浮標，保障海上船舶行駛安全的導航浮標，通常屬于大型浮標；而浮浪浮標、海冰浮標，通常也屬于小浮標[4， 5]。但由于浮標應用環(huán)境的特殊性，海洋浮標幾乎都具有位置定位、數(shù)據(jù)信息采集以及數(shù)據(jù)通信等方面的特性。

2.1 浮標節(jié)點硬件設計

在監(jiān)測網絡中的浮標節(jié)點分為：終端采集節(jié)點與信息匯聚協(xié)調節(jié)點，兩類節(jié)點結構基本相同，各個節(jié)點之間遵循Zigbee技術標準，通過自組網的形式建立鏈接，信息采集節(jié)點主要負責近海水質信息，如：PH值、風向、溫鹽度、風速等參數(shù)指標[7]，并將所采集到的數(shù)據(jù)信息經由節(jié)點之間轉發(fā)傳送到信息匯聚協(xié)調節(jié)點，匯聚節(jié)點除了監(jiān)測海水水質環(huán)境信息以外，還負責將接收到的數(shù)據(jù)信息封裝傳回到地面接收站。所以，匯聚節(jié)點較普通節(jié)點增加了北斗衛(wèi)星通信模塊，其與地面接收站之間采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的雙向短報文數(shù)據(jù)傳輸方式通信，并通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)完成定位功能。

Zigbee無線模塊選擇德州儀器的CC2530連接前端功放CC2591，提高無線節(jié)點之間的通信距離，擴大覆蓋范圍，Zigbee模塊的低耗能、低成本，能夠工作在2.4G通用頻段以及方便實現(xiàn)休眠、喚醒之間的模式切換等特性[8， 9]，能夠較好地適應海洋監(jiān)測的特殊環(huán)境。

本系統(tǒng)通過建立浮標節(jié)點的Zigbee無線網絡，實現(xiàn)近海岸的海洋監(jiān)測工作，其浮標節(jié)點主要由：無線通信模塊、水文數(shù)據(jù)信息采集模塊、定位模塊、信息傳輸模塊等多個部分組成。浮標節(jié)點的硬件框圖如圖2所示。

2.2 浮標電源管理

監(jiān)測浮標應用在海洋環(huán)境中，電池的工作情況，是影響浮標工作壽命的主要因素之一，因此，太陽能板供電以保障浮標工作電壓，在浮標電源管理中得到了廣泛采用。為提高浮標在陰雨天、陽光不足等情況下的正常工作的能力，電源模塊還需要配備備用電池，并能夠太陽能板在電量充足時，保障浮標系統(tǒng)正常工作電壓的同時，為備用電池進行單向充電。只要系統(tǒng)檢測到太陽能板電量不足以保證系統(tǒng)工作電壓，將自動切換至備用電池供電模式。太陽能的充電管理芯片類型豐富，大多具備自動調節(jié)的能力，能夠減少管理人員的工作量，設計簡單，耗能少，適用范圍廣。電源管理模塊電路原理如圖3所示。

2.3 浮標節(jié)點軟件設計

Zigbee無線網絡的組網，可以選擇星型、網狀等多種拓撲結構。在近海監(jiān)測系統(tǒng)中，由于海面波動、潮汐等因素的關系，所以采用網狀結構拓撲能夠提高網絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性。節(jié)點添加Zigbee協(xié)議棧的4層結構，在協(xié)議棧的應用層定義設備類型，劃分節(jié)點角色[10]。協(xié)議棧層次結構如圖4所示。

系統(tǒng)各節(jié)點在完成上電自檢之后，首先初始化北斗通信模塊、Zigbee協(xié)議棧，否則將發(fā)送出錯報警信息；然后Zigbee網絡節(jié)點開始廣播搜素，實現(xiàn)自動組網，節(jié)點進入休眠狀態(tài)等待地面數(shù)據(jù)中心發(fā)送來的水文信息采集指令，或者在設定采集周期時間到后，進入海洋信息數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)存儲、發(fā)送回地面數(shù)據(jù)中心。主程序流程圖如圖5所示。

3 結束語

隨著我國主導的衛(wèi)星系統(tǒng)—北斗的加入，在空間定位、通信領域的選擇更具多樣性；無線Zigbee的成熟，在近幾年的智能控制、遠程監(jiān)控等方面的應用非常突出，各種解決方案愈發(fā)完善，從而一定程度的簡化了相應系統(tǒng)開發(fā)的難度。系統(tǒng)以浮標為載體，采用北斗衛(wèi)星通信結合Zigbee網絡，監(jiān)測近海岸的海洋溫度、酸堿度、溶解氧、鹽度等環(huán)境參數(shù)[11]，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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