基于物联网的近海环境监测系统的研究与设计

摘   要： 针对目前浅海海域进行海洋环境监控时存在的困境，利用物联网技术，设计了适用于浅海海洋环境的监测系统。通过移动传感节点进行海洋环境信息探测，获取相应海域中的环境信息，并通过GPS定位海洋信息采集的地理位置信息。利用嵌入式计算技术、移动通信技术和ArcGIS技术实现海洋环境信息的监控，经由互联网和移动通信方式进行信息的发布,使相关检测部门或用户能够及时掌握海洋环境信息的变化情况，并可根据相关信息实施相应的布控和措施。
关键词： 物联网； 海洋环境监测； 传感网； GPS； ArcGIS
       物联网(Internet of Things)又称传感网，于1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议上被首次提出。目前普遍认为物联网指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪和监控和管理的一种网络。物联网的特点是全面感知、可靠传递和智能处理[1-4]。
     近年来，卫星通讯、微波通讯等长距离通讯技术迅速发展，信息传输从有线向无线发展，使物联网技术向海洋领域延伸成为可能[5]。无论从全球气候变化、海洋资源的可持续开发利用角度，还是从环境保护和国防安全的角度来看，海洋环境监测对沿海国家社会经济发展和国家安全都是非常重要的。我国对海洋环境监测也非常重视，2004年国家自然科学基金资助了6项传感器网络研究项目，“十五”863海洋监测主题也支持了一项传感器网络技术课题，武汉大学、哈尔滨工程大学、北京航空航天大学、华中科技大学等高校在该领域分别开展了研究与开发工作[6]。但传感网络在海洋环境监测方面的研究尚处于初级阶段，物联网技术应用在海洋环境监测方面的研究也只是刚刚起步，因此继续和加强这方面的研究工作任重而道远。近海的浅海区域（水深<6 m的海洋区域）由于无法行船，导致对其环境监测的难度较大。为解决浅海海域在监测布局上的难题，本文利用物联网技术设计和研究了近海海域环境监测系统，完成对浅海水域的海洋环境的监测，利用无线传感网，实现监测数据的实时输出，并可以通过互联网和移动通信技术实现信息的发布。
1 系统结构和功能
     海洋环境监测系统的功能简图如图1所示，该系统主要由四大模块构成：移动传感节点模块、数据中继协调器模块、数据服务与应用层模块和用户交互界面模块。移动传感节点模块主要负责对海洋环境信息的采集；数据中继协调器模块负责将传感节点的数据发送给PC机，以进行数据的服务与应用；数据服务与应用层模块负责为网络应用程序提供访问网络的服务接口，并提供多种应用服务；用户交互界面模块负责向用户提供数据信息。
   
       整个海洋环境监测过程如下：移动传感节点进行数据信息(如温度、光照度、叶绿素、PH值等物理量)的采集，GPS节点返回数据通过单片机AT89S51进行数据处理，获取数据的地理信息；通过各传感节点将有效数据传输给数据中继协调器；通过协调器将数据传输到数据服务与应用层模块；最后，经过处理的数据信息通过宽带网和移动网发送给用户。
     移动传感节点由传感器模块、处理器模块、ZigBee无线通信模块、双电机驱动模块和供电模块构成。各种传感器通过CC2530芯片实现对数据和程序的存储；ZigBee负责数据的发送和接收；双电机驱动控制传感器的地理位置，使传感器在设定的传感网络群中工作；GPS地理数据信息节点通过异步通信串口读取经纬度数据，再经过CC2530的异步串口,将数据发送给数据中继协调器；数据服务与应用层采用了C/S构架实施数据的发布和数据用户界面的显示及交互,利用ArcGIS Map实现用户的交互界面，然后通过ArcGIS Server进行信息的发布。
2 硬件电路设计
     硬件电路主要由处理器模块、无线通信模块电路、传感器模块、电机驱动模块、供电模块和地理信息获取模块电路组成。图2为CC2530最小系统硬件电路图。CC2530 是用于 IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 应用的片上系统（SoC）,能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点；它结合了领先的RF收发器的优良性能以及业界标准的增强型 8051 CPU、系统内可编程闪存、8 KB RAM和其他许多强大的功能；不同的运行模式使其适应超低功耗要求的系统；运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。
   
       在本系统中，处理器模块CC2530主要完成传感器与GPS的数据融合以及数据通过ZigBee无线网上传协调器的任务，各模块共地。
     传感器模块包括温度和光敏传感器模块，其中温度传感器模块包括24C02和DS18B20模块,如图3、图4所示。24C02模块为EEPROM芯片，用于存储传感模块的ID,其与处理器CC2530以I2C总线形式连接，硬件接口为SCK引脚与CC2530的P1_0连接,SDA引脚与CC2530的P1_1连接；DS18B20模块两只管以单总线方式连接，总线上加一个R9（4.7 k?赘电阻）上拉电阻,硬件接口为单总线与CC2530的P0_5连接。每一个光敏电阻与一个10 kΩ电阻标配以采集光强参数,第一组光敏传感器接口与CC2530的P0_0连接,由CC2530内置ADC的0通道采入模拟信号经ADC转化后得到相应数字信号；第二组光敏传感器接口与CC2530的P0_1连接，由CC2530内置ADC的1通道采入模拟信号经ADC转化后得到相应数字信号。