摘   要： 針對(duì)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(cè)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(cè)，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(cè)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(cè)； 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(guó)召開的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)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(lái)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(lái)，衛(wèi)星通訊、微波通訊等長(zhǎng)距離通訊技術(shù)迅速發(fā)展，信息傳輸從有線向無(wú)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(wú)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(guó)防安全的角度來(lái)看，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)沿海國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全都是非常重要的。我國(guó)對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)也非常重視，2004年國(guó)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(cè)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(cè)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(cè)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(wú)法行船，導(dǎo)致對(duì)其環(huán)境監(jiān)測(cè)的難度較大。為解決淺海海域在監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，完成對(duì)淺海水域的海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的功能簡(jiǎn)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(duì)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(cè)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(wú)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(duì)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(wú)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(wú)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(duì)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(duì)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(duì)控制器CC2530造成的沖擊。
    CC2530無(wú)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(wú)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(wú)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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