在世界人口數(shù)量劇增、陸地資源銳減、環(huán)境污染日益嚴重的今天，進軍海洋、開發(fā)海洋已成為世界海洋技術領域的一大主題。發(fā)展海洋科技，尤其是海洋高新技術首先要解決的問題就是海洋環(huán)境監(jiān)測。
    目前，使用較多的是ARGO[1，2]（Array for Real-time Geotropic Oceanography）即地轉(zhuǎn)海洋學實時觀測陣，它是全球海洋觀測業(yè)務系統(tǒng)GOOS（Global Ocean Observing System）[3，4]中的針對深海區(qū)溫度鹽度結(jié)構(gòu)觀測的一個子計劃。ARGO節(jié)點借助液壓動力來改變自身體積以便在0～2 000 m深的海水中下沉與上浮，同時，在上浮過程中對海洋環(huán)境進行剖面測量。AGRO采集的數(shù)據(jù)是以10~14天為周期通過衛(wèi)星系統(tǒng)來傳輸?shù)摹?br/>     本系統(tǒng)針對遠海海洋數(shù)據(jù)傳輸不能滿足實時檢測的現(xiàn)狀，以無線傳感器為節(jié)點構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，采用銥星模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)往陸地基站。
1 系統(tǒng)簡介
    本海洋浮標網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由海洋浮標節(jié)點、無線網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成。
    海洋浮標節(jié)點通過光纖、電纜或無線方式與其下方的傳感器網(wǎng)絡通信，以實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)海洋環(huán)境的檢測，同時每個浮標節(jié)點都攜帶有無線通信模塊和衛(wèi)星通信模塊。無線網(wǎng)絡完成兩個功能：將浮標網(wǎng)絡中各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點；在中心節(jié)點發(fā)生故障時選擇新的中心節(jié)點，盡量保證系統(tǒng)的正常運行。衛(wèi)星通信系統(tǒng)負責將匯集在中心節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到陸地基站。

    本論文研究無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡維護以及衛(wèi)星通信。
2 系統(tǒng)原理
2.1 無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)選擇及協(xié)議制定
    無線網(wǎng)絡不同于有線網(wǎng)絡，在有線網(wǎng)絡中，一個節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)通過有線鏈路直接抵達目標節(jié)點或中繼節(jié)點，在此過程中，不會對其他節(jié)點造成影響。而無線網(wǎng)絡中，節(jié)點發(fā)出的無線信號會對網(wǎng)絡中所有節(jié)點造成干擾，若不加限制，則無線網(wǎng)絡完全無法運行。
    此外，本無線網(wǎng)絡還具有以下特點：(1)網(wǎng)絡中節(jié)點一般不會超過10個；(2)網(wǎng)絡一旦建立，短期內(nèi)不會加入新的節(jié)點，數(shù)據(jù)傳輸量不大但頻率較快。
    介于以上特點，本網(wǎng)絡設計如下：(1)采用星型結(jié)構(gòu)，與此同時，任何通信都由中心節(jié)點發(fā)起，這樣可以避免中心節(jié)點同時收到多條數(shù)據(jù)而造成混亂；(2)網(wǎng)絡分三層：物理層、傳輸層、應用層；(3)網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點擁有唯一的網(wǎng)絡地址（初始設置中心節(jié)點地址為02，外圍節(jié)點依次遞增），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定點通信。
    圖2所示為網(wǎng)絡協(xié)議幀格式。由于每次通信都是由中心節(jié)點發(fā)起的，所以協(xié)議中不設立源地址。各層功能如下：物理層提供數(shù)據(jù)的實際傳輸，由無線模塊完成，傳輸層只需以字節(jié)為單位發(fā)送數(shù)據(jù)即可；傳輸層負責檢測網(wǎng)絡狀態(tài)以及數(shù)據(jù)幀的提取，并對比目的地址與該節(jié)點地址，若不符合接收條件，則丟棄數(shù)據(jù)包；應用層完成中心節(jié)點指定的任務，如采集數(shù)據(jù)的發(fā)送、節(jié)點地址的設定等。

    應用層標志位意義如下：
    G：中心節(jié)點獲取數(shù)據(jù)標志，此時，外圍節(jié)點以采集數(shù)據(jù)來填充數(shù)據(jù)幀并發(fā)送。
    D：表示采集數(shù)據(jù)，此時，中心節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)為采集到的數(shù)據(jù)。
    A：重新設定節(jié)點地址標志，此時，數(shù)據(jù)域有三個字節(jié)且每個字節(jié)都為新地址并相等。該功能可在中心節(jié)點檢測到衛(wèi)星通信發(fā)生故障時設定新的中心節(jié)點。
    S：成功標志位，外圍節(jié)點成功設定本節(jié)點新地址后置位該位，否則清零該位，并告知中心節(jié)點。
    W：警告標志位，外圍節(jié)點發(fā)生故障時置位該位，請求將故障信息發(fā)往陸地基站。
    R：授權(quán)標志位，指定新的節(jié)點為中心節(jié)點時置位該位，為了防止誤碼造成的中心節(jié)點轉(zhuǎn)移而造成網(wǎng)絡混亂，此時數(shù)據(jù)域必須是0x5555。
    N：備用中心節(jié)點標志，告知外圍節(jié)點數(shù)據(jù)域指定的為備用中心節(jié)點地址，此時數(shù)據(jù)域由三個字節(jié)組成，且每個字節(jié)都為備用中心節(jié)點地址并相等。
2.2 網(wǎng)絡自我修復
    星型網(wǎng)絡對中心節(jié)點的依賴性很強，一旦中心節(jié)點發(fā)生故障，網(wǎng)絡便會癱瘓。針對這一情況，本論文提出了網(wǎng)絡中心節(jié)點轉(zhuǎn)移的概念?？紤]到各節(jié)點都有檢測網(wǎng)絡狀態(tài)的能力（傳輸層完成此功能），同時，任何一個性能良好的節(jié)點都有能力至少完成一次網(wǎng)絡掃描并告知其他節(jié)點備用中心節(jié)點的地址，所以可以很容易地實現(xiàn)中心節(jié)點的轉(zhuǎn)移。
    中心節(jié)點故障[5]包括衛(wèi)星通信故障和無線模塊故障兩種。
    設中心節(jié)點地址為X，當衛(wèi)星通信發(fā)生故障時，中心節(jié)點首先在網(wǎng)絡中查找無故障的目標節(jié)點（W=0），然后將目標節(jié)點地址設置為X-1、將自身地址設置為目標節(jié)點的原始地址，同時向目標節(jié)點發(fā)送中心節(jié)點授權(quán)（R=1，數(shù)據(jù)域為0x5555），最后，目標節(jié)點將自身地址設為X，成為新的中心節(jié)點。
    當無線模塊發(fā)生故障時，所有外圍節(jié)點都不會檢測到任何無線信號，此時，外圍節(jié)點與備用中心節(jié)點地址進行對比，匹配的外圍節(jié)點成為中心節(jié)點，發(fā)起數(shù)據(jù)通信，查找無故障的節(jié)點并將該節(jié)點指定為新的備用中心節(jié)點，同時告知其他外圍節(jié)點。
3 節(jié)點硬件設計
    節(jié)點需具有以下功能：衛(wèi)星通信、無線通信、水下數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲，同時盡量降低節(jié)點的功耗及成本。綜合考慮，選用處理能力適中的STM32作為CPU；選用9XTend作為無線收發(fā)模塊，該模塊在使用偶極天線時通信距離可達22 km，在使用高增益天線時最遠可達64 km；選用9601SBD(9601 Short Burst Data Transceiver)銥星收發(fā)模塊通過銥星衛(wèi)星與陸地基站進行通信。由于STM32只有兩個USART資源，而銥星收發(fā)需要實時檢測信號質(zhì)量并盡量保證在較小的延遲下將數(shù)據(jù)發(fā)往陸地基站，所以9601SBD占用一個USART，無線通信及水下數(shù)據(jù)接收共享一個USART。圖3所示為節(jié)點硬件框圖。

4 軟件設計
    系統(tǒng)軟件應完成水下數(shù)據(jù)接收、銥星模塊控制、無線網(wǎng)絡通信與維護、數(shù)據(jù)存儲等功能。開機后，各節(jié)點讀取系統(tǒng)配置對本節(jié)點初始化，包括SPI接口初始化、定時器初始化、水下數(shù)據(jù)接收初始化、9XTend初始化。此外中心節(jié)點需要初始化9601SBD控制模塊，而外圍節(jié)點則將9601SBD控制模塊置于休眠狀態(tài)，以降低功耗。之后系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。圖4所示為不同節(jié)點工作狀態(tài)下的程序流程圖。

5 實驗結(jié)果
    實驗中設計了4個無線節(jié)點，并以圖5連接方式將這些節(jié)點隨意放置于10 m×8 m的房間中，各節(jié)點供電電壓為9 V，銥星天線置于室外，無線RF模塊的通信速率為19 200 b/s，RF模塊與CPU的通信速率為9 600 b/s。首先將各節(jié)點配置為非網(wǎng)絡運行狀態(tài)，此時記錄其中一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)情況，如表1所示。由表1可以發(fā)現(xiàn)，當各節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀的間隔時間不斷減小時，誤碼率明顯提高，當間隔時間為0.5 s時，9%的誤碼率導致幾乎不能提取出正確的數(shù)據(jù)幀。

    當把各節(jié)點用本論文所述方式進行配置后，查看其中一個節(jié)點接收數(shù)據(jù)情況并記錄如表2所示，此時即使將發(fā)送間隔時間降低到0.3 s也不會出現(xiàn)誤碼，不足之處是有些數(shù)據(jù)幀需要延遲發(fā)送。從協(xié)議上分析，由于通信總是由中心節(jié)點發(fā)起的，所以不應該出現(xiàn)誤碼，但當間隔時間降低到0.1 s時，出現(xiàn)了誤碼，這應該是由于中心節(jié)點分配給外圍節(jié)點的時間片較小而造成的，若增加時間片，則會降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，所以可以綜合考慮通信速率和網(wǎng)絡效率并依據(jù)實際需求選擇最佳的時間片值。

    通過電腦查看銥星衛(wèi)星通信狀態(tài)，當銥星天線信號良好時，從中心節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)僅需20 s即可抵達陸地基站。表3記錄為3 h時間段內(nèi)，9601SBD信號質(zhì)量狀況，其中0代表無信號，5代表信號質(zhì)量最好。實驗表明，天氣狀況良好，信號質(zhì)量為“3-5”時可以正常進行銥星衛(wèi)星通信；天氣狀況較差，如陰雨天時，信號質(zhì)量為“4-5”時才能保證銥星衛(wèi)星正常通信。

    針對遠海海洋特殊的應用環(huán)境，本文提出了以9XTend無線模塊及9601SBD銥星模塊構(gòu)建海洋浮標網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計方案，并給出了無線網(wǎng)絡的架構(gòu)及協(xié)議。實驗證明本設計切實可行并表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性，完全可以應用于海洋浮標網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，對我國海洋環(huán)境檢測技術的發(fā)展有較大的意義。
    本設計目前針對的是網(wǎng)絡中節(jié)點較少的情況，理論上可以支持最多254個節(jié)點（地址0不使用，地址1作為中心節(jié)點轉(zhuǎn)移時的臨時地址），但隨著節(jié)點的增多，就會增加中心節(jié)點的負擔，在后續(xù)改進中，可以將網(wǎng)絡分層或劃分子網(wǎng)，從而減輕中心節(jié)點的負擔并實現(xiàn)網(wǎng)絡的更大范圍覆蓋。
參考文獻
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