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基于无线传感器网络的海洋水环境监测系统的设计
资料介绍
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（完整内容请下载后查看）电子测量技术
Electronic Measurement
基于无线传感器网络的海洋水环境监测系统的设计
毕卫红 郭海军
（燕山大学 信息科学与工程学院）
摘 要：本文详细介绍了利用基于IEEE802.15.4技术标准的Zigbee协议构成的整个无线传感器网络，包括传感器节
点、汇聚节点、网关节点及后台监测中心，并把无线传感器网络应用到海洋水环境监测中。对于每个节点，在硬件方
面利用MSP430F149作为微处理器，利用CC2420芯片作为组网通信模块；在软件方面，以IAR Embedded Workbench
V2.10为开发平台，以C语言为编程工具，编写通信协议，并详细叙述了不同种类节点的工作状况。
关键词：海洋水环境监测；无线传感器网络；Zigbee；IEEE802.15.4；节点
Design of Ocean Water Environment Monitoring System Based on Wireless Sensing Network
Bi Weihong Guo Haijun
(School of Information Science and Engineering,Yanshan University)
Abstract：This paper describes in detail the entire wireless sensing network composed by Zigbee protocol based on
IEEE802.15.4 standard, including sensor nodes, sink nodes, gateway nodes and background monitoring center. It is applied in
ocean water environment monitoring. For each node, MSP430F149 is used as microprocessor and CC2420 chip is used as ad
hoc network as well as communication device in hardware. On the software aspect, IAR Embedded Workbench V2.10 is used as
development platform, and C language is used as the programming tool to compile communication protocols. Besides the paper
describes in detail the working conditions of different types of nodes.
Key words：ocean water environment monitoring; wireless sensing network; Zigbee; IEEE802.15.4; node
0 引言
近几年来，随着海洋事业的迅速发展，海洋环保已
经提上议事日程。因此，海洋水环境监测成为人们越来越
关注的焦点。
无线传感器网络广泛应用于军事侦察、环境监测、
目标定位等领域，能够实时地感知、采集和处理网络覆盖
范围内的对象信息，并发送给观察者。它具有覆盖区域广，
可远程监控，监测精度高，布网快速和成本低等优点[4]。
图1 Zigbee协议栈
汇聚节点和网关节点，主要负责探测海洋区域内的各种
情况，包括油污检测、浊度测量、化学需氧量测量、海
藻测量等等。
传感器节点主要负责网络的形成，海洋各项参数的
采集，并将数据通过多跳的形式传输到汇聚节点。
汇聚节点是无线传感器网络的中心节点，负责网络
的发起，拓扑的形成与维护，网路数据的汇聚与处理，
与监控系统的通信与信息交互。汇聚节点是传感器节点
终端节点中能力较强的一种。
网关节点接收来自其他节点的数据，并对数据进行
校正、融合等处理，然后发送给监测中心。对于监测中心
所发指令进行相应处理，用来确定各个节点的工作状态。
后台监测中心负责对发送回来的海洋参数数据进行
汇总与处理，网络拓扑的控制，网络的监护等工作。
整个海洋监测系统由一定数量的传感器网络终端节
点、少量汇聚节点、一个网关节点以及后台监测系统组
成。为了探测一定区域，需要在该区域内布置一定数量
的传感器节点，以达到对整个区域的覆盖，并且需要一
个网关节点完成对来自传感器终端的数据的融合，上传
给后台监测系统，完成数据的分析与处理。从网关节点
到监控中心距离一般都比较远，可采用现有的GPRS网络
进行远程数据传输。GPRS网络连接费用相对低廉，传输
速率较高，性价比较高，而且能够永远在线。传感网络
结构示意图如图所示。
把无线传感器网络技术应用到海洋水环境监测系统中，是
人们近几年来研究的焦点。
Zigbee与其他的无线通信标准相比，适用于吞吐量较
小，网络建设投资小，网络安全性高，不便于频繁更换电
源的场合。在工业控制领域利用传感器基于Zigbee技术组
成传感器网络，可以使得数据采集和分析变得方便和容易。
Zigbee网络用于传感网络的组建很重要的一点在于它的低
功耗，其发射功率仅为0~3.6dBm；它的通信距离可达
30~70m，具有能量检测和链路质量指示能力，可以自动
地对自身的发射功率进行调整，可以在保证通信链路质量
的前提下最小地消耗能量。网络功能是Zigbee最重要的特
点，也是与其它无线局域网标准不同的地方。在网络层方
面，Zigbee的主要工作在于负责网络机制的建立与管理，
并具有自我组态与自我修复功能。
IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率
(<250kb/s)、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，网
络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理
层和链路层标准。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、
应用会聚层、网络层、以及数据链路层和物理层组成[1]。
协议栈结构如图1所示。
图1 Zigbee协议栈(参见右栏)
1 传感网络的构成
本文设计的无线传感器网络的组成包括传感器节点、
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