水下無線多點通信系統研究

　水下聲學傳感網絡的一個重要用途是對水下傳感器節點所覆蓋的區域進行中長期的水下預警、目標檢測、海洋水文環境要素監測等；同時，在未來多基地和舷外分布式傳感器系統構成的龐大的反潛戰網絡中，水下數據通信是關鍵，而水下傳感網承擔著探測、數據通信的重要使命。所謂的水下無線傳感網就是在一定的水下區域內，通過各種傳感器節點獲取水下信息，并對水下節點進行聲學通信和組網，最終通過特定的節點，重新以無線電和有線的形式把在覆蓋區域中所獲取的信息納入岸上的常規網絡，并發送給觀察者的水下子網。

　　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，無法實現遠程傳輸。所以，在設計水聲傳感網時可以借鑒無線電組網技術，但是還要考慮水聲信道的特點。

　　1 水下無線多點通信系統

　　1．1 系統的總體構架

　　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。與陸地上的無線傳感網絡結構一樣，水聲傳感網的拓撲結構可分為兩大類：一種是小規模網絡中采用典型的星型結構；另一種，大規模、多節點、分散密集的環境中，組建的分布式對等網絡拓撲結構。

　　該設計實現的是小規模網絡，采用星型結構，由一臺PC機，一個主節點、多個分節點組成網絡系統。一臺和Internet網絡連接的PC機是網絡的監控中心，由主節點來廣播信息實現數據傳輸與命令控制，終端設備直接受控于主節點，構建的水下無線傳感網絡，系統如圖1所示。

　　1．2 水下無線多點通信系統的通信協議

　　為了水下無線傳感網絡能穩定、無誤碼地完成命令發送和數據傳輸，也需要通信協議來保證其可靠性。結合水下無線傳感網的需求，在此分別定義PC機到節點下行的發送數據通信協議，節點到PC機的上行接收數據通信協議兩種不同的通信協議。

　　開始符 用“％”的ASCII碼表示數據幀頭。

　　從機編號 用0～99表示命令是要控制第幾個分節點。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送控制信息。

　　控制命令 設定從節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分節點采取不同的控制操作。

　　結束符 用“MYM”的ASCII碼表示數據幀尾。

　　(2)接收數據的通信協議

開始符 采用“％”的ASCII碼表示數據幀頭。
從機編號 當前回送的數據來自水下無線傳感網的分節點編號。
數據類型 表示所傳輸的數據代表的含義。
數據內容 具體監測到的數據。
結束符 采用“MYM”的ASCII碼占表示數據幀尾。

　　2 通信節點的系統設計

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

　　2．1 系統硬件結構

　　系統硬件結構如圖2所示。

　　從圖2可以看出，上位機控制系統通過主節點完成對無線傳感網絡的控制。系統控制核心為凌陽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，系統處于備用狀態(睡眠狀態)時的耗電僅為2μA／3．6 V；內置2 KWorldSRAM和32 KWord的FLASH；2個16位可編程定時器／計數器；2個10位數／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1O位電壓模／數轉換器(ADC)和單通道聲音模／數轉換器；通用異步串行輸入／輸出接口UART；可通過鎖相環PLL振蕩器選擇系統時鐘信號；低電壓復位功能和低電壓檢測功能；WatchDog功能等。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的微控制器具有較高的性價比。

　　2．2 軟件工作流程

　　主節點初始化后，系統常態處于等待接收PC機發送已準備好的信息或其他監控命令，收到數據后調用發送程序把收到的信息加上同步頭向相應的分節點發送。其軟件流程如圖3所示。

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

　　2．3 節點電源系統

　　系統中用到了MCU、運算放大器和多種IC電路，因此需要5路穩壓電源。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，所以電源系統的設計對于節點穩定工作起著重要的作用。在這里為了實現單電源為系統供電，所以要實現電壓的轉換。實現電壓轉換功能的電路有兩大類，一類是開關型穩壓電路，它利用自激勵或他激勵方法產生高頻開關電流，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DC／DC電壓轉換，目前已經有各種性能較好的專用IC來完成電路的控制和轉換功能。另一類是線性穩壓電路，現在已經發展到LDo(LowDrop Outregulator)，LDO是一種低壓差線性穩壓器。線性穩壓器使用晶體管或FET運行在其線性區域內，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，從而產生經過調節后的額定輸出電壓。根據以上所述要實現單電源供電不緊需要升降電壓還需要實現正負電壓的轉換，如果電源轉換全部采用開關電源實現，將得到很高的效率，但也使高頻電磁波的干擾增大。同時考慮到系統對電流的要求，在這里采用開關電源和線性穩壓電源相混合的結構。其中小電流負載的轉換采用線性穩壓和LDO實現，正負電壓和大電流負載的轉換采用開關電源實現。電源系統框圖如圖4所示。

　　3 系統管理程序設計

　　PC機和主節點之間的通信是通過RS 232串口實現的，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TTL到EIA雙向電平轉換。PC機主控系統實現對主節點的控制和傳感信息的獲取、顯示。所以主控系統界面應當包括節點的控制面板、顯示窗口兩大部分，如圖5所示。

　　控制面板中給出了要發送信息的節點號的選擇，在輸入節點號之后，按下發送按鈕主控系統就會通過主節點向相應的節點發送信息。節點在收到信息后執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水下多點通信系統。該系統具有傳輸數據可靠、界面友好、可擴展性強。在水池試驗中取得了滿意的效果。