摘   要： 針對目前淺海海域進行海洋環境監控時存在的困境，利用物聯網技術，設計了適用于淺海海洋環境的監測系統。通過移動傳感節點進行海洋環境信息探測，獲取相應海域中的環境信息，并通過GPS定位海洋信息采集的地理位置信息。利用嵌入式計算技術、移動通信技術和ArcGIS技術實現海洋環境信息的監控，經由互聯網和移動通信方式進行信息的發布,使相關檢測部門或用戶能夠及時掌握海洋環境信息的變化情況，并可根據相關信息實施相應的布控和措施。
關鍵詞： 物聯網； 海洋環境監測； 傳感網； GPS； ArcGIS

    物聯網(Internet of Things)又稱傳感網，于1999年在美國召開的移動計算和網絡國際會議上被首次提出。目前普遍認為物聯網指通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤和監控和管理的一種網絡。物聯網的特點是全面感知、可靠傳遞和智能處理[1-4]。
    近年來，衛星通訊、微波通訊等長距離通訊技術迅速發展，信息傳輸從有線向無線發展，使物聯網技術向海洋領域延伸成為可能[5]。無論從全球氣候變化、海洋資源的可持續開發利用角度，還是從環境保護和國防安全的角度來看，海洋環境監測對沿海國家社會經濟發展和國家安全都是非常重要的。我國對海洋環境監測也非常重視，2004年國家自然科學基金資助了6項傳感器網絡研究項目，“十五”863海洋監測主題也支持了一項傳感器網絡技術課題，武漢大學、哈爾濱工程大學、北京航空航天大學、華中科技大學等高校在該領域分別開展了研究與開發工作[6]。但傳感網絡在海洋環境監測方面的研究尚處于初級階段，物聯網技術應用在海洋環境監測方面的研究也只是剛剛起步，因此繼續和加強這方面的研究工作任重而道遠。近海的淺海區域（水深<6 m的海洋區域）由于無法行船，導致對其環境監測的難度較大。為解決淺海海域在監測布局上的難題，本文利用物聯網技術設計和研究了近海海域環境監測系統，完成對淺海水域的海洋環境的監測，利用無線傳感網，實現監測數據的實時輸出，并可以通過互聯網和移動通信技術實現信息的發布。
1 系統結構和功能
    海洋環境監測系統的功能簡圖如圖1所示，該系統主要由四大模塊構成：移動傳感節點模塊、數據中繼協調器模塊、數據服務與應用層模塊和用戶交互界面模塊。移動傳感節點模塊主要負責對海洋環境信息的采集；數據中繼協調器模塊負責將傳感節點的數據發送給PC機，以進行數據的服務與應用；數據服務與應用層模塊負責為網絡應用程序提供訪問網絡的服務接口，并提供多種應用服務；用戶交互界面模塊負責向用戶提供數據信息。

    整個海洋環境監測過程如下：移動傳感節點進行數據信息(如溫度、光照度、葉綠素、PH值等物理量)的采集，GPS節點返回數據通過單片機AT89S51進行數據處理，獲取數據的地理信息；通過各傳感節點將有效數據傳輸給數據中繼協調器；通過協調器將數據傳輸到數據服務與應用層模塊；最后，經過處理的數據信息通過寬帶網和移動網發送給用戶。
    移動傳感節點由傳感器模塊、處理器模塊、ZigBee無線通信模塊、雙電機驅動模塊和供電模塊構成。各種傳感器通過CC2530芯片實現對數據和程序的存儲；ZigBee負責數據的發送和接收；雙電機驅動控制傳感器的地理位置，使傳感器在設定的傳感網絡群中工作；GPS地理數據信息節點通過異步通信串口讀取經緯度數據，再經過CC2530的異步串口,將數據發送給數據中繼協調器；數據服務與應用層采用了C/S構架實施數據的發布和數據用戶界面的顯示及交互,利用ArcGIS Map實現用戶的交互界面，然后通過ArcGIS Server進行信息的發布。
2 硬件電路設計
    硬件電路主要由處理器模塊、無線通信模塊電路、傳感器模塊、電機驅動模塊、供電模塊和地理信息獲取模塊電路組成。圖2為CC2530最小系統硬件電路圖。CC2530 是用于 IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 應用的片上系統（SoC）,能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點；它結合了領先的RF收發器的優良性能以及業界標準的增強型 8051 CPU、系統內可編程閃存、8 KB RAM和其他許多強大的功能；不同的運行模式使其適應超低功耗要求的系統；運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。

    在本系統中，處理器模塊CC2530主要完成傳感器與GPS的數據融合以及數據通過ZigBee無線網上傳協調器的任務，各模塊共地。
    傳感器模塊包括溫度和光敏傳感器模塊，其中溫度傳感器模塊包括24C02和DS18B20模塊,如圖3、圖4所示。24C02模塊為EEPROM芯片，用于存儲傳感模塊的ID,其與處理器CC2530以I2C總線形式連接，硬件接口為SCK引腳與CC2530的P1_0連接,SDA引腳與CC2530的P1_1連接；DS18B20模塊兩只管以單總線方式連接，總線上加一個R9（4.7 k?贅電阻）上拉電阻,硬件接口為單總線與CC2530的P0_5連接。每一個光敏電阻與一個10 kΩ電阻標配以采集光強參數,第一組光敏傳感器接口與CC2530的P0_0連接,由CC2530內置ADC的0通道采入模擬信號經ADC轉化后得到相應數字信號；第二組光敏傳感器接口與CC2530的P0_1連接，由CC2530內置ADC的1通道采入模擬信號經ADC轉化后得到相應數字信號。

    電機驅動模塊包括繼電器與光耦隔離模塊，對應兩組電路，每組電路包含一個光耦隔離模塊和一個繼電器模塊,用以對浮標模型上的推進器馬達進行控制。光耦隔離模塊可以將控制器CC2530模塊與馬達進行隔離，以避免馬達電感對控制器CC2530造成的沖擊。
    CC2530無線傳感節點供電總電源為3 V,其中內部轉換為5 V和3.3 V。5 V電源為采樣模塊供電，3.3 V為CC2530微處理器供電；繼電器和光電隔離器采用獨立的9 V供電；GPS模塊采用5 V供電；移動傳感節點采用5 V供電;移動傳感節點上的左右驅動電機采用共地9 V分別供電。
     地理信息獲取模塊為GPS模塊，此模塊包括一塊GPS芯片，用于獲取定位信息。GPS上電之后會不斷地向協處理器AT89S52發送NMEA協議數據，協處理器AT89S52會從這些數據當中截取出經緯度數據然后上傳至CC2530，各模塊共地。
3 軟件設計
    上位機、協調器和節點程序的總體框架以及數據和控制命令傳輸方向如圖5所示。數據傳輸方向為：節點程序獲取由傳感模塊和GPS模塊采集的數據信息，然后打包數據通過ZigBee無線模塊發送至協調器；協調器程序讀取數據之后再通過串口發送出去，經串口轉網口數據處理后發送至上位機IOT服務中間件；上位機程序從中間件中讀取數據信息，再次打包并且寫入txt數據文件中保存；最后將txt數據文件導入到ArcGIS軟件中，做好Map之后發布到互聯網上。而控制命令傳輸方向為：上位機發送上傳數據指令或電機控制命令給協調器；協調器再通過ZigBee無線發送指令給節點；節點讀取控制命令信息，如果是上傳數據指令，則發送數據包，如果是電機控制信息，則根據指令控制繼電器開閉，進而控制電機的轉動。

    本設計在傳感器的接口上進行了靈活處置，可以根據需要進行擴展，不僅適用于模擬類的傳感器，也適用于數字類的傳感器，使其應用范圍得到了極大的拓展。該系統能夠進行可靠的數據采集，并能及時地將數據和相應的數據采集點通過各種形式的網絡發布給用戶，使用戶在有效的時間內獲取有用的海洋信息。
參考文獻
[1] AMARDEO C，SARMA，J G. Identities in the future Internet of Things[J]．Wireless Pers Commun,2009,49(3)：353-363．
[2] GUSTAVO R G, MARIO M O，CARLOS D K． Early inrastructure of an Intemet of Things in spaces for learning[C]．Eighth IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies， 2008：381-383．
[3] 王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報, 2009,23(12):1-7.
[4] 楊鵬，張翔.物聯網研究概述[J].數字通信,2010,37(5)：27-30.
[5] 么強, 趙海濤, 李雪梅. 物聯網技術在海洋漁業中的應用[J]. 河北漁業,2011,1(16):1004-6755.
[6] 李彥,羅續業. 海洋監測傳感器網絡概念與應用探討[J].海洋技術, 2006,25(4):33-35.