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摘要：海洋资源对于人类十分重要。但人类对于海洋资源的开发和保护却做的比较少。本文结合了海洋环境监测的实际需求和目前的物联网技术，完成了一个整体的海洋环境监测系统设计。本文所做的主要工作是对海洋检测系统的硬件和软件进行了设计，并重点介绍了系统的无线传输环节。本文设计的海洋环境监测系统对于海洋区域生态的监测精度较高，并可完成无线传输，有着一定的市场推广价值。
关键词：海洋资源；环境监测；硬件设计；无线传输
随着沿海经济的快速发展和海洋发展的深化，我国的海洋环境污染问题日益突出。因此，迫切需要加强海洋环境的保护，而目前限制整体的海洋环境保护的一个重要因素就是我国缺乏一些先进的海洋环境保护、科学技术的监测和科学评估手段。本文完成了海洋监测系统的整体架构设计和具体完成所需的硬件、软件的工作，以期为未来的整个海洋监测起到了启迪作用。
1海洋环境监测系统的总体架构
系统设计采用物联网技术。其中采用无线传感器网络技术的数据采集子系统主要负责系统监控数据的采集，监控终端通过无线网络通讯实现监控数据的传输。海洋环境监测信息管理子系统实现了监测数据的存储和分析，并根据分析结果通过互联网技术对数据进行传输和分析。系统的底层是部署在受监控海域中的各种传感器节点。传感器节点主要包括：传感器单元，处理器单元，无线通信单元，能量供应单元。陆地上的监视终端位于上方，主要包括用于接收传感器节点数据的传输设备，用于监视区域的视频获取模块以及用于发送监视数据的无线通信模块。最终数据被传输到监控中心，该监控中心主要包括用于数据传输的无线通信模块，用于接收数据和数据预处理的工业计算机以及用于数据存储、计算和的服务器。
2传感器节点的结构设计
本文主要利用传感器技术对海水的PH、氧气浓度、盐度、水温进行检测。传感器对于数据进行采集后传入到MCU，MCU完成处理后，通过无线通信模块送入用户手中。其结构如图1所示。（1）数据采集单元是对传感器与MCU进行通信和连接的十分重要的一环，通过ADC通道采样传感器收集的信息。微控制器完成数据处理、存储、发送和接收以及管理电源模块。（2）无线通信模块负责数据和命令的传输。当监控中心发送命令以读取数据时，该命令通过3G网络发送到接收器节点，然后该命令通过接收器节点的无线通信模块发送到传感器节点。传感器节点完成数据获取，并通过无线通信模块将数据发送到接收器节点。宿节点通过串口连接将监控数据传输至监控终端，最后通过3G传输。通信模块将数据上传至监控中心，以完成数据采集与传输的全过程。（3）数据采集功能：通过各种传感器获取监测区域的空气温度和湿度，水流方向，水温和盐深等环境信息。（4）视频监控功能：通过摄像机监控区域的实时动态信息。（5）数据通讯功能：将多个传感器的监控数据整合到监控区域，通过3G通信技术将监控数据传输至监控中心服务器，监控中心将通过Internet技术监控结果。（6）环境监测管理：环境的检测主要是利用前文所提到的各种传感器来完成对于实际的海洋环境的一个检测的工作。
3传感器节点硬件设计
建立的传感器网络需要具有高效的数据传输效率和最大的节点功率效率，因此ZigBee协议凭借其高效的传输效率用于传感器节点之间的通信。ZigBee工作在2.4GHz频段，最高数据传输速率为250kbps。传输距离取决于传输功率的大小和应用。现在，某些产品的传输距离已达到2英里。本文将Chipcon公司生产的CC2430芯片用作传感器节点的控制核心。它使用具有128KB可编程闪存和8KB内存的8位MCU（8051）。它还包括模数转换器（ADC），多个计时器，AES-128协处理器，看门狗计时器，32kHz晶体振荡器睡眠模式计时器，复位电路，掉电检测电路和21个可编程设备I/O设备当中。传感器广泛用于工业和农业生产领域，例如自动生产线，自动加工设备，智能检测仪器等。出现了许多新领域。在许多基础科学研究中，第一个障碍在于获取对象信息的困难。新机制和高灵敏度检测传感器的出现将导致该领域的突破。某些传感器的开发通常是某些边缘学科开发的先驱。传感器广泛应用于矿产资源，海洋开发，生物工程，生命科学等领域。它主要包括溶解度，pH，电导率，浊度，氧化还原电势，特殊离子等。一般而言，海洋化学传感器落后于物理传感器。尽管现代传感器在其他领域得到了快速发展，但由于恶劣的海洋环境，被测物体的复杂性和各种干扰因素，它们不能移植到海洋环境监测中，给海洋环境的开发和应用带来了许多困难。监视传感器。因此，提高海洋环境监测水平，关键是发展海洋传感器技术。对于许多前沿科学和新兴技术而言，需要配备新的传感器技术，没有传感器就无法形成和促进物联网。新型传感器与计算机的结合，不仅使计算机的应用进入了一个新时代，而且显示了传感器技术的广阔应用领域和发展前景。
（1）PH传感器：本文所设计的海洋监测系统的PH传感器是采用sensoryt700IQSW是标准的数字传感器，可以连接到IQ传感器网络。它具有自动存储和校正数据的功能。用于测量海水的pH值。
（2）溶解氧传感器：本文所设计的海洋监测系统是来自Fdo700iqSW是一种光学发光的溶解氧传感器，其膜片装有短波光源的荧光燃料。通过返回被动状态，长波被消除并记录为测量信号。
（3）盐度传感器：它用于测量海水的盐，其传感器完成对于海水盐度的监测和传输的工作。（4）水温传感器：本文所设计的海洋监测系统的水温传感器是采用的wq101浸入式温度传感器是一种耐用的水温测量装置。输出信号为4-20mA；测量范围为-50℃～+50℃；测量精度为±0.1℃；在线最大压力为50psi；工作电压为10-36Vdc；工作温度为-50℃～+100℃。在海洋环境中应用无线传感器网络时，在无人值守的情况下，传感器节点需要收集和发送数据，节点的能量供应是整个网络正常运行的有力保证。为了实现传感器网络的正常工作，将节点的能量供应单元设计为：电源供应模块，充电管理模块，双电源切换管理模块。
4传感器网络节点工作流程
所设计的海洋监测系统传感器网络节点的一个主要工作流程如图2所示。系统在开始工作之后，完成一步初始化的动作；系统初始化完成之后，用户可以根据自己的实际需要来完成定时时间的设置的工作；定时时间设置完成后，开始进行定时，定时动作完成之后，整个系统开始进行数据的采集和发送的一个任务；最后完成对于海洋环境的一个信息的采集的工作。节点的汇聚主要是采用的ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准开发的有关网络，安全和应用软件的技术。它使用全球自由频带进行通信，并且可以在三个不同的频带中进行通。系统在接收处理完成整个数据的整理之后，利用节点将信息传递出去最终发送给监测终断，完成信息传输的工作。与蓝牙等无线通信技术相比，ZigBee采用DSSS技术，具有低复杂度，低成本，低功耗和低速率的特点。从采集节点接收到数据后，将数据存储起来，并将反馈信号发送到采集节点。最后，节点将存储的数据发送到监视终端。
5总结
本文主要完成了对于整个海洋环境监测的一个总体的需求分析，需求分析之后完成了整体的构架的设计；整体的构架设计完成之后，在整个海洋监测的硬件和软件进行进一步的概述；并且针对了无线传输进行了重要的介绍，传感器节点完成传感器网络的数据采集和维护，采用无线通信技术进行数据采集和上传，实现了无线传感器网络与监控终端的无缝连接。最终，本文的海洋监测系统有很大的使用价值，可以完成对于整个海洋环境完成多角度的监测，有助于改善整体的海洋环境。
作者:姚抒均 郑凯 石学涛 耿铭晨 刘儒 单位:齐鲁工业大学 山东省科学院海洋仪器仪表研究所
