《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于物聯(lián)網(wǎng)的近海環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2012年第12期
孔祥洪1,, 郭陽雪1,, 楊 渭1, 薛俊增2
(1. 上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院,,上海 201306; 2. 上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院,,上海 20
摘要: 針對目前淺海海域進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)控時(shí)存在的困境,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),,設(shè)計(jì)了適用于淺海海洋環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng),。通過移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行海洋環(huán)境信息探測,獲取相應(yīng)海域中的環(huán)境信息,,并通過GPS定位海洋信息采集的地理位置信息,。利用嵌入式計(jì)算技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和ArcGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境信息的監(jiān)控,,經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信方式進(jìn)行信息的發(fā)布,使相關(guān)檢測部門或用戶能夠及時(shí)掌握海洋環(huán)境信息的變化情況,,并可根據(jù)相關(guān)信息實(shí)施相應(yīng)的布控和措施。
Abstract:
Key words :

摘   要: 針對目前淺海海域進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)控時(shí)存在的困境,,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),,設(shè)計(jì)了適用于淺海海洋環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)。通過移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行海洋環(huán)境信息探測,,獲取相應(yīng)海域中的環(huán)境信息,,并通過GPS定位海洋信息采集的地理位置信息。利用嵌入式計(jì)算技術(shù),、移動(dòng)通信技術(shù)和ArcGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境信息的監(jiān)控,,經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信方式進(jìn)行信息的發(fā)布,使相關(guān)檢測部門或用戶能夠及時(shí)掌握海洋環(huán)境信息的變化情況,并可根據(jù)相關(guān)信息實(shí)施相應(yīng)的布控和措施,。
關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng),; 海洋環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng),; GPS,; ArcGIS

    物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)又稱傳感網(wǎng),于1999年在美國召開的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國際會(huì)議上被首次提出,。目前普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)指通過射頻識(shí)別(RFID),、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng),、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,,按約定的協(xié)議,,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別,、定位,、跟蹤和監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)是全面感知,、可靠傳遞和智能處理[1-4],。
    近年來,衛(wèi)星通訊,、微波通訊等長距離通訊技術(shù)迅速發(fā)展,,信息傳輸從有線向無線發(fā)展,使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向海洋領(lǐng)域延伸成為可能[5],。無論從全球氣候變化,、海洋資源的可持續(xù)開發(fā)利用角度,還是從環(huán)境保護(hù)和國防安全的角度來看,,海洋環(huán)境監(jiān)測對沿海國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全都是非常重要的,。我國對海洋環(huán)境監(jiān)測也非常重視,2004年國家自然科學(xué)基金資助了6項(xiàng)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目,,“十五”863海洋監(jiān)測主題也支持了一項(xiàng)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)課題,,武漢大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué),、北京航空航天大學(xué),、華中科技大學(xué)等高校在該領(lǐng)域分別開展了研究與開發(fā)工作[6]。但傳感網(wǎng)絡(luò)在海洋環(huán)境監(jiān)測方面的研究尚處于初級(jí)階段,,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在海洋環(huán)境監(jiān)測方面的研究也只是剛剛起步,,因此繼續(xù)和加強(qiáng)這方面的研究工作任重而道遠(yuǎn)。近海的淺海區(qū)域(水深<6 m的海洋區(qū)域)由于無法行船,,導(dǎo)致對其環(huán)境監(jiān)測的難度較大,。為解決淺海海域在監(jiān)測布局上的難題,本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)和研究了近海海域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),,完成對淺海水域的海洋環(huán)境的監(jiān)測,,利用無線傳感網(wǎng),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸出,,并可以通過互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)布,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能
    海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能簡圖如圖1所示,該系統(tǒng)主要由四大模塊構(gòu)成:移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)模塊,、數(shù)據(jù)中繼協(xié)調(diào)器模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用層模塊和用戶交互界面模塊,。移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)模塊主要負(fù)責(zé)對海洋環(huán)境信息的采集,;數(shù)據(jù)中繼協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)將傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī),,以進(jìn)行數(shù)據(jù)的服務(wù)與應(yīng)用;數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用層模塊負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供訪問網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)接口,,并提供多種應(yīng)用服務(wù),;用戶交互界面模塊負(fù)責(zé)向用戶提供數(shù)據(jù)信息。

    整個(gè)海洋環(huán)境監(jiān)測過程如下:移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息(如溫度,、光照度,、葉綠素、PH值等物理量)的采集,,GPS節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù)通過單片機(jī)AT89S51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,,獲取數(shù)據(jù)的地理信息;通過各傳感節(jié)點(diǎn)將有效數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中繼協(xié)調(diào)器,;通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用層模塊,;最后,經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)信息通過寬帶網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)發(fā)送給用戶,。
    移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊,、處理器模塊、ZigBee無線通信模塊,、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和供電模塊構(gòu)成,。各種傳感器通過CC2530芯片實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ);ZigBee負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,;雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制傳感器的地理位置,,使傳感器在設(shè)定的傳感網(wǎng)絡(luò)群中工作;GPS地理數(shù)據(jù)信息節(jié)點(diǎn)通過異步通信串口讀取經(jīng)緯度數(shù)據(jù),,再經(jīng)過CC2530的異步串口,將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)中繼協(xié)調(diào)器,;數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用層采用了C/S構(gòu)架實(shí)施數(shù)據(jù)的發(fā)布和數(shù)據(jù)用戶界面的顯示及交互,利用ArcGIS Map實(shí)現(xiàn)用戶的交互界面,然后通過ArcGIS Server進(jìn)行信息的發(fā)布,。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
    硬件電路主要由處理器模塊,、無線通信模塊電路、傳感器模塊,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,、供電模塊和地理信息獲取模塊電路組成。圖2為CC2530最小系統(tǒng)硬件電路圖,。CC2530 是用于 IEEE 802.15.4,、ZigBee 和 RF4CE 應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC),能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);它結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能以及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 CPU,、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存,、8 KB RAM和其他許多強(qiáng)大的功能;不同的運(yùn)行模式使其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng),;運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短,,進(jìn)一步確保了低能源消耗,。

    在本系統(tǒng)中,處理器模塊CC2530主要完成傳感器與GPS的數(shù)據(jù)融合以及數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)上傳協(xié)調(diào)器的任務(wù),,各模塊共地,。
    傳感器模塊包括溫度和光敏傳感器模塊,其中溫度傳感器模塊包括24C02和DS18B20模塊,如圖3,、圖4所示,。24C02模塊為EEPROM芯片,用于存儲(chǔ)傳感模塊的ID,其與處理器CC2530以I2C總線形式連接,,硬件接口為SCK引腳與CC2530的P1_0連接,SDA引腳與CC2530的P1_1連接,;DS18B20模塊兩只管以單總線方式連接,總線上加一個(gè)R9(4.7 k?贅電阻)上拉電阻,硬件接口為單總線與CC2530的P0_5連接,。每一個(gè)光敏電阻與一個(gè)10 kΩ電阻標(biāo)配以采集光強(qiáng)參數(shù),第一組光敏傳感器接口與CC2530的P0_0連接,由CC2530內(nèi)置ADC的0通道采入模擬信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)化后得到相應(yīng)數(shù)字信號(hào),;第二組光敏傳感器接口與CC2530的P0_1連接,由CC2530內(nèi)置ADC的1通道采入模擬信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)化后得到相應(yīng)數(shù)字信號(hào),。

 

 


    電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括繼電器與光耦隔離模塊,,對應(yīng)兩組電路,每組電路包含一個(gè)光耦隔離模塊和一個(gè)繼電器模塊,用以對浮標(biāo)模型上的推進(jìn)器馬達(dá)進(jìn)行控制,。光耦隔離模塊可以將控制器CC2530模塊與馬達(dá)進(jìn)行隔離,,以避免馬達(dá)電感對控制器CC2530造成的沖擊。
    CC2530無線傳感節(jié)點(diǎn)供電總電源為3 V,其中內(nèi)部轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V,。5 V電源為采樣模塊供電,,3.3 V為CC2530微處理器供電;繼電器和光電隔離器采用獨(dú)立的9 V供電,;GPS模塊采用5 V供電,;移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)采用5 V供電;移動(dòng)傳感節(jié)點(diǎn)上的左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用共地9 V分別供電。
     地理信息獲取模塊為GPS模塊,,此模塊包括一塊GPS芯片,,用于獲取定位信息。GPS上電之后會(huì)不斷地向協(xié)處理器AT89S52發(fā)送NMEA協(xié)議數(shù)據(jù),,協(xié)處理器AT89S52會(huì)從這些數(shù)據(jù)當(dāng)中截取出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)然后上傳至CC2530,,各模塊共地。
3 軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī),、協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)程序的總體框架以及數(shù)據(jù)和控制命令傳輸方向如圖5所示,。數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)椋汗?jié)點(diǎn)程序獲取由傳感模塊和GPS模塊采集的數(shù)據(jù)信息,然后打包數(shù)據(jù)通過ZigBee無線模塊發(fā)送至協(xié)調(diào)器,;協(xié)調(diào)器程序讀取數(shù)據(jù)之后再通過串口發(fā)送出去,,經(jīng)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至上位機(jī)IOT服務(wù)中間件;上位機(jī)程序從中間件中讀取數(shù)據(jù)信息,再次打包并且寫入txt數(shù)據(jù)文件中保存,;最后將txt數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到ArcGIS軟件中,,做好Map之后發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。而控制命令傳輸方向?yàn)椋荷衔粰C(jī)發(fā)送上傳數(shù)據(jù)指令或電機(jī)控制命令給協(xié)調(diào)器,;協(xié)調(diào)器再通過ZigBee無線發(fā)送指令給節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)讀取控制命令信息,,如果是上傳數(shù)據(jù)指令,,則發(fā)送數(shù)據(jù)包,如果是電機(jī)控制信息,,則根據(jù)指令控制繼電器開閉,,進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

    本設(shè)計(jì)在傳感器的接口上進(jìn)行了靈活處置,,可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展,,不僅適用于模擬類的傳感器,也適用于數(shù)字類的傳感器,,使其應(yīng)用范圍得到了極大的拓展,。該系統(tǒng)能夠進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)采集,并能及時(shí)地將數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)通過各種形式的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布給用戶,,使用戶在有效的時(shí)間內(nèi)獲取有用的海洋信息,。
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