基于STM32的海洋浮标无线通信网络设计
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2020-10-21
02:59:41
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基于基于STM32的海洋浮标无线通信网络设计的海洋浮标无线通信网络设计
针对在远海海洋的特殊环境下，数据传输能力不能满足海洋环境检测需求的现状，提出以无线传感器和铱星模
块构建海洋浮标通信网络的设计方案，并给出具体的组网方法及通信协议。
在世界人口数量剧增、陆地资源锐减、环境污染日益严重的今天，进军海洋、开发海洋已成为世界海洋技术领域的一大主
题。发展海洋科技，尤其是海洋高新技术首先要解决的问题就是海洋环境监测。
目前，使用较多的是ARGO[1，2]（Array for Real-time Geotropic Oceanography）即地转海洋学实时观测阵，它是全球海
洋观测业务系统GOOS（Global Ocean Observing System）[3，4]中的针对深海区温度盐度结构观测的一个子计划。ARGO
节点借助液压动力来改变自身体积以便在0～2 000 m深的海水中下沉与上浮，同时，在上浮过程中对海洋环境进行剖面测
量。AGRO采集的数据是以10~14天为周期通过卫星系统来传输的。
本系统针对远海海洋数据传输不能满足实时检测的现状，以无线传感器为节点构成数据传输网络，采用
1 系统简介系统简介
本海洋浮标网络数据传输系统结构如图1所示，主要由海洋浮标节点、
海洋浮标节点通过光纤、电缆或无线方式与其下方的传感器网络通信，以实现对一定范围内海洋环境的检测，同时每个浮
标节点都携带有无线通信模块和卫星通信模块。无线网络完成两个功能：将浮标网络中各节点采集的数据传输到中心节点；在
中心节点发生故障时选择新的中心节点，尽量保证系统的正常运行。卫星通信系统负责将汇集在中心节点的数据发送到陆地基
站。
本论文研究无线网络的数据传输与网络维护以及卫星通信。
2 系统原理系统原理
2.1 无线网络结构选择及协议制定无线网络结构选择及协议制定
无线网络不同于有线网络，在有线网络中，一个节点发出的数据通过有线链路直接抵达目标节点或中继节点，在此过程
中，不会对其他节点造成影响。而无线网络中，节点发出的无线信号会对网络中所有节点造成干扰，若不加限制，则无线网络
完全无法运行。
此外，本无线网络还具有以下特点：(1)网络中节点一般不会超过10个；(2)网络一旦建立，短期内不会加入新的节点，数据
传输量不大但频率较快。
介于以上特点，本网络设计如下：(1)采用星型结构，与此同时，任何通信都由中心节点发起，这样可以避免中心节点同时
收到多条数据而造成混乱；(2)网络分三层：物理层、传输层、应用层；(3)网络内节点拥有唯一的网络地址（初始设置中心节
点地址为02，外围节点依次递增），以实现数据的定点通信。
图2所示为网络协议帧格式。由于每次通信都是由中心节点发起的，所以协议中不设立源地址。各层功能如下：物理层提供
数据的实际传输，由无线模块完成，传输层只需以字节为单位发送数据即可；传输层负责检测网络状态以及数据帧的提取，并
对比目的地址与该节点地址，若不符合接收条件，则丢弃数据包；应用层完成中心节点指定的任务，如采集数据的发送、节点
地址的设定等。
应用层标志位意义如下：
G：中心节点获取数据标志，此时，外围节点以采集数据来填充数据帧并发送。
D：表示采集数据，此时，中心节点接收到的数据为采集到的数据。
A：重新设定节点地址标志，此时，数据域有三个字节且每个字节都为新地址并相等。该功能可在中心节点检测到卫星通信
发生故障时设定新的中心节点。
S：成功标志位，外围节点成功设定本节点新地址后置位该位，否则清零该位，并告知中心节点。
W：警告标志位，外围节点发生故障时置位该位，请求将故障信息发往陆地基站。
R：授权标志位，指定新的节点为中心节点时置位该位，为了防止误码造成的中心节点转移而造成网络混乱，此时数据域必
须是0x5555。
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