摘 要：針對(duì)海洋環(huán)境管理需求，利用短距離無線通信在數(shù)據(jù)采集中的優(yōu)勢(shì)，提出并開發(fā)了基于無線射頻傳輸技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、傳輸系統(tǒng)，完成海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。系統(tǒng)以CC2420無線射頻傳輸模塊和MSP430單片機(jī)為核心，由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過CC2420無線收發(fā)模塊和PL2303轉(zhuǎn)換芯片完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)；無線數(shù)據(jù)傳輸；MSP430；CC2420

前言

海洋占據(jù)了地球七成多的面積，孕育著無數(shù)的生命和財(cái)富。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于海洋過度捕撈和污染，致使近些年來，海洋赤潮現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重影響了海洋生態(tài)的平衡。保護(hù)海洋資源首先應(yīng)當(dāng)從做好海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)出發(fā)，對(duì)于造成海洋污染的物質(zhì)及源頭進(jìn)行監(jiān)控，從而有效的保護(hù)海洋生態(tài)平衡。為做好海洋環(huán)境的監(jiān)控，需要建立大范圍的海洋數(shù)據(jù)采集點(diǎn)來確保采集數(shù)據(jù)的可靠性。為做好對(duì)海洋水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，通過使用以單片機(jī)為控制核心的海洋數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，來實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的海洋水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過無線信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理。相對(duì)于傳統(tǒng)的依靠線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮Ｑ笏|(zhì)監(jiān)控設(shè)備在方便性、可靠性以及簡易性等方面都有了極大的提高。

1 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及工作原理

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是為了測(cè)量海洋水質(zhì)、海洋環(huán)境以及水文氣象等多種海洋生態(tài)環(huán)境的參數(shù)。并對(duì)可能發(fā)生的海洋自然災(zāi)害（如海浪、風(fēng)暴潮、海冰、海洋溫、鹽流三維結(jié)構(gòu)、厄爾尼諾）等進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量及災(zāi)害的預(yù)測(cè)。保障我國對(duì)于海洋的合理開發(fā)利用。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由從站和主站組成，其分別負(fù)責(zé)對(duì)于海洋數(shù)據(jù)的測(cè)量及對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的收集處理，其結(jié)構(gòu)及功用分別如圖1所示。

在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的從站中，其使用單片機(jī)MSP430F149為控制核心，通過各種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)于海洋環(huán)境中的溫濕度、營養(yǎng)鹽、重金屬、有機(jī)污染物、化學(xué)耗氧量、致病菌、石油污染物、有機(jī)磷農(nóng)藥等的檢測(cè)，并將傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過使用無線通信發(fā)送至海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總站中。在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總站的硬件組成中主要采用MSP430F149作為主控核心，通過使用CC2420數(shù)據(jù)接收模塊來接收來自于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從站中的測(cè)量數(shù)據(jù)，而后將所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸類并顯示在主控機(jī)中。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)所接收到的海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析和比對(duì)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

2 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成

2.1 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器模塊

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的從站需要放置在待測(cè)海域進(jìn)行海域水質(zhì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，從而使得其缺乏持續(xù)的電力供應(yīng)，因此，又必須要選用低功耗的傳感器來延長其工作時(shí)間，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器中主要包括有溫濕度、營養(yǎng)鹽、重金屬、有機(jī)污染物、化學(xué)耗氧量、致病菌、石油污染物、有機(jī)磷農(nóng)藥等多個(gè)方面的傳感器，以滿足海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求。

2.2 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的處理器

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是MSP430F149 單片機(jī)，其具有低功耗、功能強(qiáng)大且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且能夠在-40～+85℃的溫度區(qū)間內(nèi)工作，極為適應(yīng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于處理器的要求。

2.3 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的通信模塊

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從站需要從檢測(cè)海域與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此需要選用傳輸功率大、功耗低、傳輸速率快的無線通信模塊，為達(dá)到這一要求選用的是CC2420通信芯片，此芯片支持IEEE802.15.4，工作片段為2.4GHz，是一種優(yōu)秀的有源RF收發(fā)器件。CC2420通信芯片功耗低，其工作時(shí)接收所耗電流僅為17.4mA，處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)的耗費(fèi)電流為19.7mA；其工作電壓為2.1～3.6V，是一種極為優(yōu)秀的通信芯片，能夠適應(yīng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從站在海上的通信要求。

2.4 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件組成中選用M25P80芯片作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，此芯片支持速度達(dá)50MHz的SPI兼容總線的存取操作，能夠把程序快速加載到設(shè)備的RAM內(nèi)存中。在具有高速、穩(wěn)定工作特點(diǎn)的同時(shí)其工作電壓低、功耗低，能夠在適應(yīng)海上較大的晝夜溫差的同時(shí)，滿足海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從站在海上工作的要求。

2.5 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的電源管理

電源管理是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，其決定著海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從站在海上的工作時(shí)間，選用TPS60210芯片，此芯片是一種工作在3.3V的低功耗管理線性穩(wěn)壓芯片。能夠適應(yīng)海上復(fù)雜的工作環(huán)境。

2.6 單片機(jī)與PC機(jī)的通信電路

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為確保主站與電腦的數(shù)據(jù)交換，在硬件中加入了RS232轉(zhuǎn)USB的轉(zhuǎn)換接口，使用PL2303專用轉(zhuǎn)換芯片，其具有雙向數(shù)據(jù)流緩沖器和片上USB收發(fā)器，確保海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

3 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件編制

以上完成了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的硬件搭建，為確保海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常工作需要編制相應(yīng)的軟件，軟件選用IAR WorkbenchV2.10為開發(fā)平臺(tái)，使用C語言作為編制語言，軟件編程的基本思路是：先對(duì)MSP430F149時(shí)鐘、定時(shí)器、SPI、CC2420控制端口初始化；使能SPI、UART 端口，使能ADC，對(duì)CC2420芯片初始化；SPI 接口主要負(fù)責(zé)MSP430F149與CC2420射頻芯片之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿有效，SPI總線發(fā)送數(shù)據(jù)采用查詢方式。開啟接收機(jī)后，就可以運(yùn)行任務(wù)程序了，以實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。CC2420的初始化流程如圖2所示。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)每定時(shí)5min 啟動(dòng)一次采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給監(jiān)測(cè)儀。傳感器主要工作流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖4所示。在接收狀態(tài)下，當(dāng)SFD全部接收完時(shí)電平變高。FIFO引腳在接收緩沖寄存器中有一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)變成高電平。第一個(gè)字節(jié)是幀長度，即當(dāng)幀長度字節(jié)存入RXFIFO時(shí)FIFO引腳就變高，直到寄存器RXFIFO中的數(shù)據(jù)為空時(shí)FIFO引腳變低。FIFO引腳在新數(shù)據(jù)幀的最后一個(gè)字節(jié)被接收后會(huì)變高電平。

數(shù)據(jù)接收流程圖如圖5所示。

4結(jié)束語

我國具有廣闊的海岸線，近些年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及民眾環(huán)保意識(shí)的提高，海洋環(huán)境越來越為人們所重視，做好對(duì)于海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)，有利于了解影響海洋生態(tài)平衡的影響因素。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種應(yīng)用于海洋環(huán)境參數(shù)測(cè)定的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從站中設(shè)計(jì)多種傳感器，可以方便的對(duì)海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，通過采用無線傳輸?shù)姆绞剑瑯O大的提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適用性，文章在介紹海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。通過試驗(yàn)表明，該測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，測(cè)量精度比人工測(cè)量方式高，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

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作者簡介：郭祥東（1964，2-），男，福建福州，福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式技術(shù)。