水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線多點(diǎn)通信系統(tǒng)研究

　　水下聲學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要用途是對(duì)水下傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域進(jìn)行中長(zhǎng)期的水下預(yù)警、目標(biāo)檢測(cè)、海洋水文環(huán)境要素監(jiān)測(cè)等；同時(shí)，在未來(lái)多基地和舷外分布式傳感器系統(tǒng)構(gòu)成的龐大的反潛戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中，水下數(shù)據(jù)通信是關(guān)鍵，而水下傳感網(wǎng)承擔(dān)著探測(cè)、數(shù)據(jù)通信的重要使命。所謂的水下無(wú)線傳感網(wǎng)就是在一定的水下區(qū)域內(nèi)，通過(guò)各種傳感器節(jié)點(diǎn)獲取水下信息，并對(duì)水下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)通信和組網(wǎng)，最終通過(guò)特定的節(jié)點(diǎn)，重新以無(wú)線電和有線的形式把在覆蓋區(qū)域中所獲取的信息納入岸上的常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送給觀察者的水下子網(wǎng)。

　　由于水聲信道的傳輸條件十分惡劣，特別是淺海水聲信道，信道的帶寬有限，取決于距離和頻率，在這種有限的帶寬內(nèi)，聲信號(hào)受強(qiáng)環(huán)境噪聲，時(shí)變多徑的影響，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間干擾(ISI)、大的多普勒頻移擴(kuò)展及長(zhǎng)的傳輸時(shí)延。另外，無(wú)線電磁波和光波在水中的衰減非常大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。所以，在設(shè)計(jì)水聲傳感網(wǎng)時(shí)可以借鑒無(wú)線電組網(wǎng)技術(shù)，但是還要考慮水聲信道的特點(diǎn)。

　　1 水下無(wú)線多點(diǎn)通信系統(tǒng)

　　1．1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

　　基于水聲信道的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到頻域上相鄰點(diǎn)的間隔必須大于信道的相干帶寬，所以采用FSK調(diào)制方式的跳頻通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。與陸地上的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一樣，水聲傳感網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩大類：一種是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中采用典型的星型結(jié)構(gòu)；另一種，大規(guī)模、多節(jié)點(diǎn)、分散密集的環(huán)境中，組建的分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，采用星型結(jié)構(gòu)，由一臺(tái)PC機(jī)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)分節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一臺(tái)和Internet網(wǎng)絡(luò)連接的PC機(jī)是網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控中心，由主節(jié)點(diǎn)來(lái)廣播信息實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與命令控制，終端設(shè)備直接受控于主節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建的水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)如圖1所示。

　　1．2 水下無(wú)線多點(diǎn)通信系統(tǒng)的通信協(xié)議

　　為了水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能穩(wěn)定、無(wú)誤碼地完成命令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸，也需要通信協(xié)議來(lái)保證其可靠性。結(jié)合水下無(wú)線傳感網(wǎng)的需求，在此分別定義PC機(jī)到節(jié)點(diǎn)下行的發(fā)送數(shù)據(jù)通信協(xié)議，節(jié)點(diǎn)到PC機(jī)的上行接收數(shù)據(jù)通信協(xié)議兩種不同的通信協(xié)議。

　　開始符 用“％”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。

　　從機(jī)編號(hào) 用0～99表示命令是要控制第幾個(gè)分節(jié)點(diǎn)。0編號(hào)作為廣播式設(shè)定，即如果是0編號(hào)，則水面中繼器向各水聲通信從機(jī)群發(fā)送控制信息。

　　控制命令 設(shè)定從節(jié)點(diǎn)需要處理的動(dòng)作類型編號(hào)，控制指令的編號(hào)對(duì)應(yīng)水下無(wú)線傳感網(wǎng)分節(jié)點(diǎn)采取不同的控制操作。

　　結(jié)束符 用“MYM”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀尾。

　　(2)接收數(shù)據(jù)的通信協(xié)議

開始符 采用“％”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。
從機(jī)編號(hào) 當(dāng)前回送的數(shù)據(jù)來(lái)自水下無(wú)線傳感網(wǎng)的分節(jié)點(diǎn)編號(hào)。
數(shù)據(jù)類型 表示所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)代表的含義。
數(shù)據(jù)內(nèi)容 具體監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)。
結(jié)束符 采用“MYM”的ASCII碼占表示數(shù)據(jù)幀尾。

　　2 通信節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在水下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)里有兩種設(shè)備：主節(jié)點(diǎn)和分節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的下達(dá)和數(shù)據(jù)等反饋信息的簡(jiǎn)單聚合與處理，是其余各節(jié)點(diǎn)與主控制PC機(jī)之間連接溝通的橋梁；分節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)搜集傳感器或者接口設(shè)備的測(cè)量數(shù)據(jù)，并直接向主節(jié)點(diǎn)反饋?lái)憫?yīng)信號(hào)或數(shù)據(jù)。PC機(jī)和主節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過(guò)RS 232實(shí)現(xiàn)的，而主節(jié)點(diǎn)和各節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過(guò)水聲換能器實(shí)現(xiàn)。

　　2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　從圖2可以看出，上位機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)主節(jié)點(diǎn)完成對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制。系統(tǒng)控制核心為凌陽(yáng)SPCE061A微處理器。它是凌陽(yáng)科技推出的一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。其功耗小，系統(tǒng)處于備用狀態(tài)(睡眠狀態(tài))時(shí)的耗電僅為2μA／3．6 V；內(nèi)置2 KWorldSRAM和32 KWord的FLASH；2個(gè)16位可編程定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；2個(gè)10位數(shù)／模轉(zhuǎn)換(DAC)輸出通道；2個(gè)16位通用可編程輸入／輸出端口IOA和 IOB；豐富的中斷資源：定時(shí)器A／B中斷、時(shí)基中斷、2個(gè)外部中斷以及觸鍵喚醒中斷；7通道1O位電壓模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；通用異步串行輸入／輸出接口UART；可通過(guò)鎖相環(huán)PLL振蕩器選擇系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；低電壓復(fù)位功能和低電壓檢測(cè)功能；WatchDog功能等。與其他單片機(jī)相比，SPCE061A是一款資源豐富、功能強(qiáng)大、集成度高的微控制器，采用此款單片機(jī)作為該系統(tǒng)的微控制器具有較高的性價(jià)比。

　　2．2 軟件工作流程

　　主節(jié)點(diǎn)初始化后，系統(tǒng)常態(tài)處于等待接收PC機(jī)發(fā)送已準(zhǔn)備好的信息或其他監(jiān)控命令，收到數(shù)據(jù)后調(diào)用發(fā)送程序把收到的信息加上同步頭向相應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)發(fā)送。其軟件流程如圖3所示。