朱曉明,程 恩,伊錦旺

摘 要:隨著世界各國海洋開發(fā)和海洋軍事領域的飛速發(fā)展,對水下傳感網(wǎng)絡、水下監(jiān)視系統(tǒng)、水聲預警網(wǎng)絡的需求越來越迫切。這里討論一種采用跳頻通信方式,以凌陽16位單片機SPEC061A為控制核心,通過主節(jié)點向各分節(jié)點發(fā)送信息或指令,實現(xiàn)水下無線多點通信。分析了通信節(jié)點的硬件和軟件設計。通過水池實驗證明該系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作,具有良好的性能。

關鍵詞:水聲通信;SPEC061A;節(jié)點;DC/DC轉換

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-184-03

Study of Underwater Wireless Multi-point Communication System

ZHU Xiaoming,CHENG En,YI Jinwang

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,Xiamen University,Xiamen,361005,China)

Abstract:Along with exploiture of the ocean resources all over the world,it is necessary to cry for research of underwater sensor network,underwater monitoring system and underwater acoustic prewarning system.A way of frequency-hopping communication using 16 b MCU SPEC061A as the control core,sending information or index to sub-node by main node,the underwater wireless multi-point communication is realized.The hardware and software design of communication node are analysed.It proves that the system is stable and reliable,with good performance through the experiment of pool.

Keywords:underwater acoustic communication;SPEC061A;node;DC/DC converter

水下聲學傳感網(wǎng)絡的一個重要用途是對水下傳感器節(jié)點所覆蓋的區(qū)域進行中長期的水下預警、目標檢測、海洋水文環(huán)境要素監(jiān)測等;同時,在未來多基地和舷外分布式傳感器系統(tǒng)構成的龐大的反潛戰(zhàn)網(wǎng)絡中,水下數(shù)據(jù)通信是關鍵,而水下傳感網(wǎng)承擔著探測、數(shù)據(jù)通信的重要使命[1]。所謂的水下無線傳感網(wǎng)就是在一定的水下區(qū)域內,通過各種傳感器節(jié)點獲取水下信息,并對水下節(jié)點進行聲學通信和組網(wǎng),最終通過特定的節(jié)點,重新以無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,并發(fā)送給觀察者的水下子網(wǎng)[2]。

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,聲信號受強環(huán)境噪聲,時變多徑的影響,可能會導致嚴重的碼間干擾(ISI)、大的多普勒頻移擴展及長的傳輸時延。另外,無線電磁波和光波在水中的衰減非常大,無法實現(xiàn)遠程傳輸。所以,在設計水聲傳感網(wǎng)時可以借鑒無線電組網(wǎng)技術,但是還要考慮水聲信道的特點。

1 水下無線多點通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)的總體構架

基于水聲信道的特點,同時考慮到頻域上相鄰點的間隔必須大于信道的相干帶寬,所以采用FSK調制方式的跳頻通信來實現(xiàn)。與陸地上的無線傳感網(wǎng)絡結構一樣,水聲傳感網(wǎng)的拓撲結構可分為兩大類:一種是小規(guī)模網(wǎng)絡中采用典型的星型結構;另一種,大規(guī)模、多節(jié)點、分散密集的環(huán)境中,組建的分布式對等網(wǎng)絡拓撲結構[3]。

該設計實現(xiàn)的是小規(guī)模網(wǎng)絡,采用星型結構,由一臺PC機,一個主節(jié)點、多個分節(jié)點組成網(wǎng)絡系統(tǒng)。一臺和Internet網(wǎng)絡連接的PC機是網(wǎng)絡的監(jiān)控中心,由主節(jié)點來廣播信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與命令控制,終端設備直接受控于主節(jié)點,構建的水下無線傳感網(wǎng)絡,系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 水下無線多點通信系統(tǒng)的通信協(xié)議

為了水下無線傳感網(wǎng)絡能穩(wěn)定、無誤碼地完成命令發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸,也需要通信協(xié)議來保證其可靠性。結合水下無線傳感網(wǎng)的需求,在此分別定義PC機到節(jié)點下行的發(fā)送數(shù)據(jù)通信協(xié)議,節(jié)點到PC機的上行接收數(shù)據(jù)通信協(xié)議兩種不同的通信協(xié)議。

圖1 水下無線通信系統(tǒng)

(1) 發(fā)送數(shù)據(jù)的通信協(xié)議

開始符分節(jié)點編號控制命令結束符

開始符 用“%”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。

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

控制命令 設定從節(jié)點需要處理的動作類型編號,控制指令的編號對應水下無線傳感網(wǎng)分節(jié)點采取不同的控制操作。

結束符 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

開始符分節(jié)點編號數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)內容結束符

開始符 采用“%”的ASCII碼表示數(shù)據(jù)幀頭。

從機編號 當前回送的數(shù)據(jù)來自水下無線傳感網(wǎng)的分節(jié)點編號。

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)內容 具體監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。

結束符 采用“MYM”的ASCII碼占表示數(shù)據(jù)幀尾。

2 通信節(jié)點的系統(tǒng)設計

在水下無線傳感網(wǎng)絡里有兩種設備:主節(jié)點和分節(jié)點。主節(jié)點主要負責各項監(jiān)測任務的下達和數(shù)據(jù)等反饋信息的簡單聚合與處理,是其余各節(jié)點與主控制PC機之間連接溝通的橋梁;分節(jié)點主要負責搜集傳感器或者接口設備的測量數(shù)據(jù),并直接向主節(jié)點反饋響應信號或數(shù)據(jù)。PC機和主節(jié)點之間的通信是通過RS 232實現(xiàn)的,而主節(jié)點和各節(jié)點之間的通信是通過水聲換能器實現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

從圖2可以看出,上位機控制系統(tǒng)通過主節(jié)點完成對無線傳感網(wǎng)絡的控制。系統(tǒng)控制核心為凌陽SPCE061A微處理器。它是凌陽科技推出的一款16位結構的微控制器。其功耗小,系統(tǒng)處于備用狀態(tài)(睡眠狀態(tài))時的耗電僅為2 μA/3.6 V;內置2 KWord SRAM和32 KWord的FLASH;2個16位可編程定時器/計數(shù)器;2個10位數(shù)/模轉換(DAC)輸出通道;2個16位通用可編程輸入/輸出端口IOA和IOB;豐富的中斷資源:定時器A/B中斷、時基中斷、2個外部中斷以及觸鍵喚醒中斷;7通道10位電壓模/數(shù)轉換器(ADC)和單通道聲音模/數(shù)轉換器;通用異步串行輸入/輸出接口UART;可通過鎖相環(huán)PLL振蕩器選擇系統(tǒng)時鐘信號;低電壓復位功能和低電壓檢測功能;WatchDog功能等[4]。與其他單片機相比,SPCE061A是一款資源豐富、功能強大、集成度高的微控制器,采用此款單片機作為該系統(tǒng)的微控制器具有較高的性價比。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 軟件工作流程

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

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

在收到PC的信息后,MCU首先將信息存儲,當所有的數(shù)據(jù)都接收完以后,將數(shù)據(jù)打包并按跳頻圖案發(fā)送,在經(jīng)過信號調理模塊的處理之后最后通過換能器將信號發(fā)送出去。

2.3 節(jié)點電源系統(tǒng)

系統(tǒng)中用到了MCU、運算放大器和多種IC電路,因此需要5路穩(wěn)壓電源。電壓幅度的跨度從直流-12~12 V,輸出給各路負載的電流參差不齊,所以電源系統(tǒng)的設計對于節(jié)點穩(wěn)定工作起著重要的作用。在這里為了實現(xiàn)單電源為系統(tǒng)供電,所以要實現(xiàn)電壓的轉換。實現(xiàn)電壓轉換功能的電路有兩大類,一類是開關型穩(wěn)壓電路,它利用自激勵或他激勵方法產(chǎn)生高頻開關電流,用非線性儲能元件(如電感)再次轉換成直流,這類轉換可以分為升壓型的、降壓型的和隔離型的。早先是用分立元件實現(xiàn)DC/DC電壓轉換,目前已經(jīng)有各種性能較好的專用IC來完成電路的控制和轉換功能。另一類是線性穩(wěn)壓電路,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到LDO(Low Drop Outregulator),LDO是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用晶體管或FET運行在其線性區(qū)域內,從輸人電壓中減去超額部分的電壓,其壓差由晶體管的管壓降分擔,從而產(chǎn)生經(jīng)過調節(jié)后的額定輸出電壓[5]。

根據(jù)以上所述要實現(xiàn)單電源供電不緊需要升降電壓還需要實現(xiàn)正負電壓的轉換,如果電源轉換全部采用開關電源實現(xiàn),將得到很高的效率,但也使高頻電磁波的干擾增大。同時考慮到系統(tǒng)對電流的要求,在這里采用開關電源和線性穩(wěn)壓電源相混合的結構。其中小電流負載的轉換采用線性穩(wěn)壓和LDO實現(xiàn),正負電壓和大電流負載的轉換采用開關電源實現(xiàn)。電源系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點電源系統(tǒng)組成框圖

3 系統(tǒng)管理程序設計

PC機和主節(jié)點之間的通信是通過RS 232串口實現(xiàn)的,通信波特率9 600 b/s,為了能夠同計算機接口和終端的TTL器件鏈接,必需進行電平和邏輯關系的變換,采用MAX 232芯片就可以實現(xiàn)TTL到EIA雙向電平轉換。PC機主控系統(tǒng)實現(xiàn)對主節(jié)點的控制和傳感信息的獲取、顯示。所以主控系統(tǒng)界面應當包括節(jié)點的控制面板、顯示窗口兩大部分,如圖5所示。

圖5 PC機主控系統(tǒng)界面

控制面板中給出了要發(fā)送信息的節(jié)點號的選擇,在輸入節(jié)點號之后,按下發(fā)送按鈕主控系統(tǒng)就會通過主節(jié)點向相應的節(jié)點發(fā)送信息。節(jié)點在收到信息后執(zhí)行相應的指令并反饋信息給PC。

4 結 語

這里介紹以高性能16位單片機為控制核心,采用跳頻通信的方式實現(xiàn)水下多點通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、界面友好、可擴展性強。在水池試驗中取得了滿意的效果。

參考文獻

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