前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來(lái)靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：海洋資源對(duì)于人類十分重要。但人類對(duì)于海洋資源的開(kāi)發(fā)和保護(hù)卻做的比較少。本文結(jié)合了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求和目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成了一個(gè)整體的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文所做的主要工作是對(duì)海洋檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的無(wú)線傳輸環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于海洋區(qū)域生態(tài)的監(jiān)測(cè)精度較高，并可完成無(wú)線傳輸，有著一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：海洋資源；環(huán)境監(jiān)測(cè)；硬件設(shè)計(jì)；無(wú)線傳輸

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和海洋發(fā)展的深化，我國(guó)的海洋環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。因此，迫切需要加強(qiáng)海洋環(huán)境的保護(hù)，而目前限制整體的海洋環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要因素就是我國(guó)缺乏一些先進(jìn)的海洋環(huán)境保護(hù)、科學(xué)技術(shù)的監(jiān)測(cè)和科學(xué)評(píng)估手段。本文完成了海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和具體完成所需的硬件、軟件的工作，以期為未來(lái)的整個(gè)海洋監(jiān)測(cè)起到了啟迪作用。

1海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其中采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集，監(jiān)控終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，并根據(jù)分析結(jié)果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和分析。系統(tǒng)的底層是部署在受監(jiān)控海域中的各種傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括：傳感器單元，處理器單元，無(wú)線通信單元，能量供應(yīng)單元。陸地上的監(jiān)視終端位于上方，主要包括用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)備，用于監(jiān)視區(qū)域的視頻獲取模塊以及用于發(fā)送監(jiān)視數(shù)據(jù)的無(wú)線通信模塊。最終數(shù)據(jù)被傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，該監(jiān)控中心主要包括用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信模塊，用于接收數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)預(yù)處理的工業(yè)計(jì)算機(jī)以及用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算和的服務(wù)器。

2傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文主要利用傳感器技術(shù)對(duì)海水的PH、氧氣濃度、鹽度、水溫進(jìn)行檢測(cè)。傳感器對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后傳入到MCU，MCU完成處理后，通過(guò)無(wú)線通信模塊送入用戶手中。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。（1）數(shù)據(jù)采集單元是對(duì)傳感器與MCU進(jìn)行通信和連接的十分重要的一環(huán)，通過(guò)ADC通道采樣傳感器收集的信息。微控制器完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和接收以及管理電源模塊。（2）無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和命令的傳輸。當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)送命令以讀取數(shù)據(jù)時(shí)，該命令通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到接收器節(jié)點(diǎn)，然后該命令通過(guò)接收器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)獲取，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收器節(jié)點(diǎn)。宿節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口連接將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控終端，最后通過(guò)3G傳輸。通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心，以完成數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)娜^(guò)程。（3）數(shù)據(jù)采集功能：通過(guò)各種傳感器獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的空氣溫度和濕度，水流方向，水溫和鹽深等環(huán)境信息。（4）視頻監(jiān)控功能：通過(guò)攝像機(jī)監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。（5）數(shù)據(jù)通訊功能：將多個(gè)傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)整合到監(jiān)控區(qū)域，通過(guò)3G通信技術(shù)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器，監(jiān)控中心將通過(guò)Internet技術(shù)監(jiān)控結(jié)果。（6）環(huán)境監(jiān)測(cè)管理：環(huán)境的檢測(cè)主要是利用前文所提到的各種傳感器來(lái)完成對(duì)于實(shí)際的海洋環(huán)境的一個(gè)檢測(cè)的工作。

3傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

建立的傳感器網(wǎng)絡(luò)需要具有高效的數(shù)據(jù)傳輸效率和最大的節(jié)點(diǎn)功率效率，因此ZigBee協(xié)議憑借其高效的傳輸效率用于傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信。ZigBee工作在2.4GHz頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。傳輸距離取決于傳輸功率的大小和應(yīng)用。現(xiàn)在，某些產(chǎn)品的傳輸距離已達(dá)到2英里。本文將Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片用作傳感器節(jié)點(diǎn)的控制核心。它使用具有128KB可編程閃存和8KB內(nèi)存的8位MCU（8051）。它還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），多個(gè)計(jì)時(shí)器，AES-128協(xié)處理器，看門狗計(jì)時(shí)器，32kHz晶體振蕩器睡眠模式計(jì)時(shí)器，復(fù)位電路，掉電檢測(cè)電路和21個(gè)可編程設(shè)備I/O設(shè)備當(dāng)中。傳感器廣泛用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，例如自動(dòng)生產(chǎn)線，自動(dòng)加工設(shè)備，智能檢測(cè)儀器等。出現(xiàn)了許多新領(lǐng)域。在許多基礎(chǔ)科學(xué)研究中，第一個(gè)障礙在于獲取對(duì)象信息的困難。新機(jī)制和高靈敏度檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)將導(dǎo)致該領(lǐng)域的突破。某些傳感器的開(kāi)發(fā)通常是某些邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。傳感器廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源，海洋開(kāi)發(fā)，生物工程，生命科學(xué)等領(lǐng)域。它主要包括溶解度，pH，電導(dǎo)率，濁度，氧化還原電勢(shì)，特殊離子等。一般而言，海洋化學(xué)傳感器落后于物理傳感器。盡管現(xiàn)代傳感器在其他領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，但由于惡劣的海洋環(huán)境，被測(cè)物體的復(fù)雜性和各種干擾因素，它們不能移植到海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中，給海洋環(huán)境的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用帶來(lái)了許多困難。監(jiān)視傳感器。因此，提高海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)水平，關(guān)鍵是發(fā)展海洋傳感器技術(shù)。對(duì)于許多前沿科學(xué)和新興技術(shù)而言，需要配備新的傳感器技術(shù)，沒(méi)有傳感器就無(wú)法形成和促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)。新型傳感器與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，不僅使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，而且顯示了傳感器技術(shù)的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

（1）PH傳感器：本文所設(shè)計(jì)的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的PH傳感器是采用sensoryt700IQSW是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字傳感器，可以連接到IQ傳感器網(wǎng)絡(luò)。它具有自動(dòng)存儲(chǔ)和校正數(shù)據(jù)的功能。用于測(cè)量海水的pH值。

（2）溶解氧傳感器：本文所設(shè)計(jì)的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是來(lái)自Fdo700iqSW是一種光學(xué)發(fā)光的溶解氧傳感器，其膜片裝有短波光源的熒光燃料。通過(guò)返回被動(dòng)狀態(tài)，長(zhǎng)波被消除并記錄為測(cè)量信號(hào)。

（3）鹽度傳感器：它用于測(cè)量海水的鹽，其傳感器完成對(duì)于海水鹽度的監(jiān)測(cè)和傳輸?shù)墓ぷ?。?）水溫傳感器：本文所設(shè)計(jì)的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水溫傳感器是采用的wq101浸入式溫度傳感器是一種耐用的水溫測(cè)量裝置。輸出信號(hào)為4-20mA；測(cè)量范圍為-50℃～+50℃；測(cè)量精度為±0.1℃；在線最大壓力為50psi；工作電壓為10-36Vdc；工作溫度為-50℃～+100℃。在海洋環(huán)境中應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在無(wú)人值守的情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)需要收集和發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的有力保證。為了實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作，將節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)單元設(shè)計(jì)為：電源供應(yīng)模塊，充電管理模塊，雙電源切換管理模塊。

4傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作流程

所設(shè)計(jì)的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)主要工作流程如圖2所示。系統(tǒng)在開(kāi)始工作之后，完成一步初始化的動(dòng)作；系統(tǒng)初始化完成之后，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要來(lái)完成定時(shí)時(shí)間的設(shè)置的工作；定時(shí)時(shí)間設(shè)置完成后，開(kāi)始進(jìn)行定時(shí)，定時(shí)動(dòng)作完成之后，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送的一個(gè)任務(wù)；最后完成對(duì)于海洋環(huán)境的一個(gè)信息的采集的工作。節(jié)點(diǎn)的匯聚主要是采用的ZigBee是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)，安全和應(yīng)用軟件的技術(shù)。它使用全球自由頻帶進(jìn)行通信，并且可以在三個(gè)不同的頻帶中進(jìn)行通。系統(tǒng)在接收處理完成整個(gè)數(shù)據(jù)的整理之后，利用節(jié)點(diǎn)將信息傳遞出去最終發(fā)送給監(jiān)測(cè)終斷，完成信息傳輸?shù)墓ぷ鳌Ｅc藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)相比，ZigBee采用DSSS技術(shù)，具有低復(fù)雜度，低成本，低功耗和低速率的特點(diǎn)。從采集節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，并將反饋信號(hào)發(fā)送到采集節(jié)點(diǎn)。最后，節(jié)點(diǎn)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)視終端。

5總結(jié)

本文主要完成了對(duì)于整個(gè)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的一個(gè)總體的需求分析，需求分析之后完成了整體的構(gòu)架的設(shè)計(jì)；整體的構(gòu)架設(shè)計(jì)完成之后，在整個(gè)海洋監(jiān)測(cè)的硬件和軟件進(jìn)行進(jìn)一步的概述；并且針對(duì)了無(wú)線傳輸進(jìn)行了重要的介紹，傳感器節(jié)點(diǎn)完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和維護(hù)，采用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和上傳，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控終端的無(wú)縫連接。最終，本文的海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有很大的使用價(jià)值，可以完成對(duì)于整個(gè)海洋環(huán)境完成多角度的監(jiān)測(cè)，有助于改善整體的海洋環(huán)境。

作者:姚抒均 鄭凱 石學(xué)濤 耿銘晨 劉儒 單位:齊魯工業(yè)大學(xué) 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所