论文部分内容阅读
摘要：文章描述了近海无线监测系统的结构，并着重介绍了系统内浮标节点的软、硬件设计方案。系统浮标节点使用太阳能电源并备用电池，通过相应电源模块实现管理；使用北斗通信模块完成浮标Zigbee无线监测网络与地面数据接收中心的数据传输。
关键词：北斗；浮标；Zigbee；监测网络
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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
近年來海洋带来的经济效益比重越来越大，海洋开发的热度也愈演愈烈，带来经济效益的同时，也给环境带来了巨大的压力。围海、填海、港口等工程的建设，陆地工业、生活污染物流入海洋[1]，导致海洋环境的富营养化、重金属污染、油污等情况日益严重，特别是对近海海域的渔业养殖、海洋生态系统的影响巨大，海洋开发与保护的矛盾日益突出[2， 3]。因此，完善的海洋监测体系与管理制度显得日趋重要。
1 海洋监测浮标系统总体结构
我国的海洋浮标系统起步较晚，但发展迅速，浮标分布地域广泛，在黄海、渤海、东海、南海等海域都有部署，浮标类型也较为丰富，包括海洋气象浮标系统、生态监测浮标等。但是，浮标造价、维护以及海岸线范围广阔等原因，浮标系统存在部署点较少、覆盖网络范围受限，成本相对较高等问题[4]。
浮标系统的数据通信方式主要采用CDMA、GPRS、卫星等[5]，伴随着北斗卫星系统的逐步完善与民用化，微电子技术、物联网技术等的快速发展，构建低成本、网络化、全天候的海洋浮标监测系统变得切实可行。海洋浮标系统一般包括：数据监测节点、数据信息汇聚节点、卫星通信系统、蜂窝网络、地面信息中转站以及监测数据中心等部分组成[6]。海洋浮标监测系统框图如图1所示。
2 浮标节点设计
浮标按照特性不同，类型划分方法也不同，较为常见的分类主要是依据浮标大小或者功能来加以区分，并具有一定的联系。例如：用以监测海洋气候、水文等要素的水位气象浮标，保障海上船舶行驶安全的导航浮标，通常属于大型浮标；而浮浪浮标、海冰浮标，通常也属于小浮标[4， 5]。但由于浮标应用环境的特殊性，海洋浮标几乎都具有位置定位、数据信息采集以及数据通信等方面的特性。
2.1 浮标节点硬件设计
在监测网络中的浮标节点分为：终端采集节点与信息汇聚协调节点，两类节点结构基本相同，各个节点之间遵循Zigbee技术标准，通过自组网的形式建立链接，信息采集节点主要负责近海水质信息，如：PH值、风向、温盐度、风速等参数指标[7]，并将所采集到的数据信息经由节点之间转发传送到信息汇聚协调节点，汇聚节点除了监测海水水质环境信息以外，还负责将接收到的数据信息封装传回到地面接收站。所以，汇聚节点较普通节点增加了北斗卫星通信模块，其与地面接收站之间采用北斗卫星系统的双向短报文数据传输方式通信，并通过北斗卫星系统完成定位功能。
Zigbee无线模块选择德州仪器的CC2530连接前端功放CC2591，提高无线节点之间的通信距离，扩大覆盖范围，Zigbee模块的低耗能、低成本，能够工作在2.4G通用频段以及方便实现休眠、唤醒之间的模式切换等特性[8， 9]，能够较好地适应海洋监测的特殊环境。
本系统通过建立浮标节点的Zigbee无线网络，实现近海岸的海洋监测工作，其浮标节点主要由：无线通信模块、水文数据信息采集模块、定位模块、信息传输模块等多个部分组成。浮标节点的硬件框图如图2所示。
2.2 浮标电源管理
监测浮标应用在海洋环境中，电池的工作情况，是影响浮标工作寿命的主要因素之一，因此，太阳能板供电以保障浮标工作电压，在浮标电源管理中得到了广泛采用。为提高浮标在阴雨天、阳光不足等情况下的正常工作的能力，电源模块还需要配备备用电池，并能够太阳能板在电量充足时，保障浮标系统正常工作电压的同时，为备用电池进行单向充电。只要系统检测到太阳能板电量不足以保证系统工作电压，将自动切换至备用电池供电模式。太阳能的充电管理芯片类型丰富，大多具备自动调节的能力，能够减少管理人员的工作量，设计简单，耗能少，适用范围广。电源管理模块电路原理如图3所示。
2.3 浮标节点软件设计
Zigbee无线网络的组网，可以选择星型、网状等多种拓扑结构。在近海监测系统中，由于海面波动、潮汐等因素的关系，所以采用网状结构拓扑能够提高网络传输的稳定性。节点添加Zigbee协议栈的4层结构，在协议栈的应用层定义设备类型，划分节点角色[10]。协议栈层次结构如图4所示。 系统各节点在完成上电自检之后，首先初始化北斗通信模块、Zigbee协议栈，否则将发送出错报警信息；然后Zigbee网络节点开始广播搜素，实现自动组网，节点进入休眠状态等待地面数据中心发送来的水文信息采集指令，或者在设定采集周期时间到后，进入海洋信息数据采集状态，并将数据存储、发送回地面数据中心。主程序流程图如图5所示。
3 結束语
随着我国主导的卫星系统—北斗的加入，在空间定位、通信领域的选择更具多样性；无线Zigbee的成熟，在近几年的智能控制、远程监控等方面的应用非常突出，各种解决方案愈发完善，从而一定程度的简化了相应系统开发的难度。系统以浮标为载体，采用北斗卫星通信结合Zigbee网络，监测近海岸的海洋温度、酸碱度、溶解氧、盐度等环境参数[11]，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 孙龙启. 广西近海生态系统健康评价[D].厦门：厦门大学，2014.
[2] 霍云龙.我国近海主要环境问题研究[D].厦门：国家海洋局第三海洋研究所， 2011.
[3] 韦钦胜，臧家业，冉祥滨，等.我国近海污染状况总体特点及环保科技研究的需求[J]. 海洋开发与管理， 2010（6）： 90-94.
[4] 戴洪磊，牟乃夏，王春玉，等.我国海洋浮标发展现状及趋势[J].气象水文海洋仪器， 2014（2）： 118-121.
[5] 赵聪蛟，周燕.国内海洋浮标监测系统研究概况[J]. 海洋开发与管理， 2013（11）： 13-18.
[6] 张斌.基于浮标的海上无线监测系统的研究与设计[D].杭州： 浙江大学，2014.
[7] 陈朋朋，马宏陆，黄燕.面向海洋环境监测的数据可视化控件设计[J].计算机测量与控制， 2015（9）： 3202-3206.
[8] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J]. 计算机系统应用，2011，20（7）：184-187
[9] 陈克涛，张海辉，张永猛，等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2014，42（5）：183-188.
[10] 王利岗，张达，杨小聪，等.某尾矿库基于Zigbee传感网络的在线监测系统[J].有色金属工程，2014，4（3）：74-77
[11] 卜志国.海洋生态环境监测系统数据集成与应用研究[D].青岛： 中国海洋大学，2010.
关键词：北斗；浮标；Zigbee；监测网络
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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
近年來海洋带来的经济效益比重越来越大，海洋开发的热度也愈演愈烈，带来经济效益的同时，也给环境带来了巨大的压力。围海、填海、港口等工程的建设，陆地工业、生活污染物流入海洋[1]，导致海洋环境的富营养化、重金属污染、油污等情况日益严重，特别是对近海海域的渔业养殖、海洋生态系统的影响巨大，海洋开发与保护的矛盾日益突出[2， 3]。因此，完善的海洋监测体系与管理制度显得日趋重要。
1 海洋监测浮标系统总体结构
我国的海洋浮标系统起步较晚，但发展迅速，浮标分布地域广泛，在黄海、渤海、东海、南海等海域都有部署，浮标类型也较为丰富，包括海洋气象浮标系统、生态监测浮标等。但是，浮标造价、维护以及海岸线范围广阔等原因，浮标系统存在部署点较少、覆盖网络范围受限，成本相对较高等问题[4]。
浮标系统的数据通信方式主要采用CDMA、GPRS、卫星等[5]，伴随着北斗卫星系统的逐步完善与民用化，微电子技术、物联网技术等的快速发展，构建低成本、网络化、全天候的海洋浮标监测系统变得切实可行。海洋浮标系统一般包括：数据监测节点、数据信息汇聚节点、卫星通信系统、蜂窝网络、地面信息中转站以及监测数据中心等部分组成[6]。海洋浮标监测系统框图如图1所示。
2 浮标节点设计
浮标按照特性不同，类型划分方法也不同，较为常见的分类主要是依据浮标大小或者功能来加以区分，并具有一定的联系。例如：用以监测海洋气候、水文等要素的水位气象浮标，保障海上船舶行驶安全的导航浮标，通常属于大型浮标；而浮浪浮标、海冰浮标，通常也属于小浮标[4， 5]。但由于浮标应用环境的特殊性，海洋浮标几乎都具有位置定位、数据信息采集以及数据通信等方面的特性。
2.1 浮标节点硬件设计
在监测网络中的浮标节点分为：终端采集节点与信息汇聚协调节点，两类节点结构基本相同，各个节点之间遵循Zigbee技术标准，通过自组网的形式建立链接，信息采集节点主要负责近海水质信息，如：PH值、风向、温盐度、风速等参数指标[7]，并将所采集到的数据信息经由节点之间转发传送到信息汇聚协调节点，汇聚节点除了监测海水水质环境信息以外，还负责将接收到的数据信息封装传回到地面接收站。所以，汇聚节点较普通节点增加了北斗卫星通信模块，其与地面接收站之间采用北斗卫星系统的双向短报文数据传输方式通信，并通过北斗卫星系统完成定位功能。
Zigbee无线模块选择德州仪器的CC2530连接前端功放CC2591，提高无线节点之间的通信距离，扩大覆盖范围，Zigbee模块的低耗能、低成本，能够工作在2.4G通用频段以及方便实现休眠、唤醒之间的模式切换等特性[8， 9]，能够较好地适应海洋监测的特殊环境。
本系统通过建立浮标节点的Zigbee无线网络，实现近海岸的海洋监测工作，其浮标节点主要由：无线通信模块、水文数据信息采集模块、定位模块、信息传输模块等多个部分组成。浮标节点的硬件框图如图2所示。
2.2 浮标电源管理
监测浮标应用在海洋环境中，电池的工作情况，是影响浮标工作寿命的主要因素之一，因此，太阳能板供电以保障浮标工作电压，在浮标电源管理中得到了广泛采用。为提高浮标在阴雨天、阳光不足等情况下的正常工作的能力，电源模块还需要配备备用电池，并能够太阳能板在电量充足时，保障浮标系统正常工作电压的同时，为备用电池进行单向充电。只要系统检测到太阳能板电量不足以保证系统工作电压，将自动切换至备用电池供电模式。太阳能的充电管理芯片类型丰富，大多具备自动调节的能力，能够减少管理人员的工作量，设计简单，耗能少，适用范围广。电源管理模块电路原理如图3所示。
2.3 浮标节点软件设计
Zigbee无线网络的组网，可以选择星型、网状等多种拓扑结构。在近海监测系统中，由于海面波动、潮汐等因素的关系，所以采用网状结构拓扑能够提高网络传输的稳定性。节点添加Zigbee协议栈的4层结构，在协议栈的应用层定义设备类型，划分节点角色[10]。协议栈层次结构如图4所示。 系统各节点在完成上电自检之后，首先初始化北斗通信模块、Zigbee协议栈，否则将发送出错报警信息；然后Zigbee网络节点开始广播搜素，实现自动组网，节点进入休眠状态等待地面数据中心发送来的水文信息采集指令，或者在设定采集周期时间到后，进入海洋信息数据采集状态，并将数据存储、发送回地面数据中心。主程序流程图如图5所示。
3 結束语
随着我国主导的卫星系统—北斗的加入，在空间定位、通信领域的选择更具多样性；无线Zigbee的成熟，在近几年的智能控制、远程监控等方面的应用非常突出，各种解决方案愈发完善，从而一定程度的简化了相应系统开发的难度。系统以浮标为载体，采用北斗卫星通信结合Zigbee网络，监测近海岸的海洋温度、酸碱度、溶解氧、盐度等环境参数[11]，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 孙龙启. 广西近海生态系统健康评价[D].厦门：厦门大学，2014.
[2] 霍云龙.我国近海主要环境问题研究[D].厦门：国家海洋局第三海洋研究所， 2011.
[3] 韦钦胜，臧家业，冉祥滨，等.我国近海污染状况总体特点及环保科技研究的需求[J]. 海洋开发与管理， 2010（6）： 90-94.
[4] 戴洪磊，牟乃夏，王春玉，等.我国海洋浮标发展现状及趋势[J].气象水文海洋仪器， 2014（2）： 118-121.
[5] 赵聪蛟，周燕.国内海洋浮标监测系统研究概况[J]. 海洋开发与管理， 2013（11）： 13-18.
[6] 张斌.基于浮标的海上无线监测系统的研究与设计[D].杭州： 浙江大学，2014.
[7] 陈朋朋，马宏陆，黄燕.面向海洋环境监测的数据可视化控件设计[J].计算机测量与控制， 2015（9）： 3202-3206.
[8] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J]. 计算机系统应用，2011，20（7）：184-187
[9] 陈克涛，张海辉，张永猛，等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2014，42（5）：183-188.
[10] 王利岗，张达，杨小聪，等.某尾矿库基于Zigbee传感网络的在线监测系统[J].有色金属工程，2014，4（3）：74-77
[11] 卜志国.海洋生态环境监测系统数据集成与应用研究[D].青岛： 中国海洋大学，2010.