跟着海洋作业的迅速发展，海洋环保现已提上议事日程。因此，海洋水环境监测成为人们越来越重视的焦点。
无线传感器网络广泛运用于军事侦查、环境监测、方针定位等范畴，能够实时地感知、收集和处理网络掩盖范围内的目标信息，并发送给观察者。它具有掩盖区域广，可长途监控，监测精度高，布网快速和本钱低一级长处。把无线传感器网络技能运用到海洋水环境监测体系中，是人们近几年来研讨的焦点。
Zigbee与其他的无线通讯规范比较，适用于吞吐量较小，网络建造出资小，网络安全性高，不便于频频替换电源的场合。在工业操控范畴运用传感器根据Zigbee技能组成传感器网络，能够使得数据收集和剖析变得便利和简单。Zigbee网络用于传感网络的组成很重要的一点在于它的低功耗，其发射功率仅为0～3．6dBm；它的通讯间隔可达30～70m，具有能量检测和链路质量指示才能，能够主动地对本身的发射功率进行调整，能够在确保通讯链路质量的前提下最小地耗费能量。网络功用是Zigbee最重要的特色，也是与其它无线局域网规范不同的当地。在网络层方面，Zigbee的首要作业在于担任网络机制的树立与办理，并具有自我组态与自我修正功用。
IEEE802．15．4规范是一种经济、高效、低数据速率（《250kb/s）、作业在2．4GHz和868/928MHz的无线技能，网络层以上协议由ZigBee联盟拟定，IEEE802．15．4担任物理层和链路层规范。完好的zigBee协议套件由高层运用规范、运用集聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成。协议栈结构如图l所示。
1 传感网络的构成
本文规划的无线传感器网络的组成包含传感器节点、会聚节点和网关节点，首要担任勘探海洋区域内的各种情况，包含油污检测、浊度丈量、化学需氧量丈量、海藻丈量等等。
传感器节点首要担任网络的构成，海洋各项参数的收集，并将数据经过多跳的方法传输到会聚节点。
会聚节点是无线传感器网络的中心节点，担任网络的建议，拓扑的构成与保护，网路数据的会聚与处理，与监控体系的通讯与信息交互。会聚节点是传感器节点终端节点中才能较强的一种。
网关节点接纳来自其他节点的数据，并对数据进行校对、交融等处理，然后发送给监测中心。关于监测中心所发指令进行相应处理，用来承认各个节点的作业状况。
后台监测中心担任对发送回来的海洋参数数据进行汇总与处理，网络拓扑的操控，网络的监护等作业。
整个海洋监测体系由必定数量的传感器网络终端节点、少数会聚节点、一个网关节点以及后台监测体系组成。为了勘探必定区域，需求在该区域内安置必定数量的传感器节点，以到达对整个区域的掩盖，并且需求一个网关节点完结对来自传感器终端的数据的交融，上传给后台监测体系，完结数据的剖析与处理。从网关节点到监控中心间隔一般都比较远，可选用现有的GPRS网络进行长途数据传输。GPRS网络衔接费用相对低价，传输速率较高，性价比较高，并且能够永久在线。传感网络结构示意图如图2所示。
传感器终端节点与会聚节点能够主动构成一个自组织、多跳的网络。传感器终端节点按指令收集数据，并将数据及时地经过自适应的路由、多跳中继后传输给网关节点，网关节点将聚集的数据打包后，转发给后台监控体系。
2 硬件规划
本海洋监测体系中的传感器节点是传感网络中最重要的部分，其硬件包含微处理器单元、一个zigbee通讯模块及电源办理模块；会聚节点硬件包含微处理器单元、两个Zigbee通讯模块及电源办理模块；网关节点硬件包含微处理器单元、一个Zigbee通讯模块、一个GPRS模块及电源办理模块。
2．1 节点微处理器MSP430F149单片机
因为无线传感器网络节点需求将传感器输出的模仿信号转化为数字信号，可选择一款集成有AD转化功用的微操控器。别的，无线传感器网络节点除完结数据收集功用外，还要完结数据转发和路由功用，因此要有满足的处理才能、程序空间及数据空间。本规划MCU选用的是MSP-430F149单片机，它是TI公司出产的一种16位超低功耗混合信号处理器，称之为混合信号处理器，首要是因为其针对实际运用需求，把许多模仿电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以供给“单片”解决方案。其杰出长处是低电源电压、超低功耗。因为为FLASH型，所以能够在线对单片机进行调试和下载程序。
MSP430F149低频辅佐时钟选用32kHz时钟晶振直接驱动，可作为后台实时时钟完结自唤醒功用。集成的高速数字操控振荡器（DCO）频率为8MHz，可作为CPU的主体系时钟（MSLK）源，也能够作为CPU的子体系时钟（SMCLK）源。
2．2 节点Zigbee通讯模块CC2420
本体系中无线传感器网络硬件中的Zigbee通讯模块选用低功耗高功用的无线网络模块CC2420来完结，它作业在全球通用的2．4GHz频段。CC2420是一款契合IEEE802．15．4规范的射频收发器，功用安稳且功耗极低。CC2420的选择性和灵敏度指数超越IEEE802．15．4规范的要求，可确保短间隔通讯的有用性和可靠性，运用此芯片开发的无线通讯设备支撑数传速率高达250kb/s，可完结多点对多点的快速组网。 CC2420发送数据时，运用直接正交上变频。基带信号的同相重量和正交重量直接被DAC转化为模仿信号，经过低频滤波器，直接变频到设定的信道上，再由天线发射出去。
Zigbee通讯模块CC2420与单片机的衔接电路，如图3所示。
CC2420只需求很少的外围电路，包含时钟电路、射频I/O匹配电路和微操控器接口电路三部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体供给，也能够由内部电路供给。由内部电路供给时需求外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的巨细取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当选用16MHz晶振时，其电容约为22pF。射频I/O匹配电路首要用来匹配芯片的输入/输出阻抗。CC2420与微处理器的衔接十分便利，它运用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA四个引脚表明收发数据的状况；微处理器经过SPI接口与CC2420交流数据、发送指令等。
CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接纳完该帧。假如启动了地址辨识，在地址辨识失利后，SFD引脚当即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚表明接纳FIFO的缓存区状况，假如接纳FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平；当接纳FIFO缓存区为空，FIFO引脚输出低电平；当FIFO引脚在接纳FIFO缓存区的数据超越某个临界值时，或在CC2420接纳到一个完好的帧今后输出高电平临界值时，能够经过CC2420的寄存器设置。CCA引脚在信道上有信号时输出高电平，它只在接纳状况下有用，在CC2420进入接纳状况至少8个符号周期后，才会在CCA引脚上输出有用的信道状况信息。
SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成，微处理器经过SPI接口拜访CC2420内部寄存器和存储器。在拜访过程中，CC2420是SPI接口的从设备，接纳来自微处理器的时钟信号和片选信号并在微处理器的操控下履行输入/输出操作。SPI接口接纳或许发送数据时，都与时钟下降沿对齐，CC2420与MSP430F149是经过SPI衔接的，其间MSP430F149处于主形式，CC2420处于从形式。MSP430F149还有4个I/O口与CC2420相连，首要起查询CC2420状况的作用。
电源办理模块为传感器单元、处理器单元、无线通讯模块供给动力，并对电源进行办理，以进步能量的运用率。
2．3 体系IEEE802．15．4作业形式
IEEE802．15．4规范中规则运用DSSS调制方法，CC2420中的调制和扩频功用框图如图4所示。
每个字节分为两组符号，4位一组，低位符号首要传送，关于多字节域，则是低位字节首要传送，可是，与安全有关的域先传送高位字节。每个符号映射为一个超越16位的伪随机序列，即32位片码序列。片码序列以2Mchip/s的速率传送，关于每个符号，首要传送低位片码。
调制方法为偏移正交相移键控，具有半个正弦的形状，相当于最小频移键控（MFSK）调制，每片的形状经过半个正弦波替换在同相和正交相位信道传送。
2．4 数据通讯帧格局设置
同步头包含前导序列和开端帧分隔符，在CC2420中前导序列长度和开端帧分隔符是能设置的，默认值4字节和1字节，是契合IEEE．80 2．15．4协议的；物理头位为1字节，帧操控和序列号分别为2字节和1字节：地址和源地址共6字节，待发数据段长度为帧长度减去地址和帧校验序列。当MODEMCTRL0．AUTOCRC操控方位位时，这个帧校验序列主动发生2字节，并由CC2420硬件主动刺进。
3 软件规划
本规划中，无线传感器网络是一个多路的自组织无线网络，能够完结主动组网，主动路由查询，主动数据收集与传输，软件规划上有必要能够完结多跳自组织的功用。别的，传感器节点有必要要求极低的功耗，而低功耗除了硬件规划上的低功耗外，更重要的是软件规划的低功耗。
此无线传感器网络终端在开机后首要进行自检，假如自检失利了，则进行硬件毛病提示，并且主动关机。在自检经往后，进一步判别作业形式。传感器节点在自检经往后进入接入状况，假如接入失利则进入等候状况。处于等候状况的节点封闭射频收发器以节约功耗，当等候定时器溢出时，节点再次回到接入状况进行新的介入测验。假如节点接入成功便转入事务状况。处于事务状况的节点，完结数据的收集与传输，对近节点数据的中继转发，新节点入网的介入承认等操作。节点为了完结低功耗，有必要在事务状况（活动状况）与休眠状况之间轮换。
软件开发以IAR Embedded Workbench V2．10为渠道，选用C言语编写。节点的MSP430系列单片机支撑C言语程序规划。适用于MSP430系列的C言语与规范C言语兼容程度高，大大进步了软件开发的作业效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性。软件编程的基本思想是：先对SPI、CC2420操控端口初始化，使能SPI、UART端口，使能ADC，开机后，就能够运转使命程序，完结接纳或发送数据及指令了。
传感器节点、会聚节点的作业流程如图5所示。
关于网关节点的规划，接纳数据部分仍选用CC2420无线收发模块，能够选用一致的传输协议，确保传输的可靠性；因为还要进行数据的处理，网关节点就不附加传感器了，以便进步处理器对数据的处理才能，MCU一致选用MSP430F149单片机；一起，监控中心一般远离监测点，需求选用GPRS模块来完结数据的长途传输。其作业流程如图6所示。
4 定论
本文规划的有关海洋水环境监测的无线传感器网络综合运用了无线传感技能、嵌入式计算技能、现代网络技能、无线通讯技能和分布式智能信息处理技能，将功用相同或不同的无线智能传感器构成网络化、智能化的传感网络，大大进步了监测海洋各项参数的传感器的监测才能。这样的根据无线传感器网络的实时监控体系选用中短间隔、低功耗无线网络，射频传输本钱低；可根据需求选用多种供电形式，节能作用好；可完结灵敏的快速组网和主动装备，扩展性好。
