（电路与系统专业论文）基于can总线的海底地磁观测技术研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 海底观测技术主要应用在海底科学研究、海洋矿产资源勘探等领域。海底地磁观测 技术是海底观测的一个重要组成部分，近年来，海底地磁的观测在实际研究中越来越得 到重视和应用，尤其是在深远海底的资源调查、海底地震的监测以及军事反潜等研究领域。 海洋地磁观测网是一个以大范围海底覆盖为基础，以信息传送网络化为依托的庞大计划，它 的建立将改变我国在这一高端领域处于空白的状态，在海洋科学、环境科学、国防安全等领 域都具有开创性意义【lj 。而海洋地磁观测网的若干关键技术的解决，将使得在未来实施海洋 地磁观测网计划具备可行性。本毕业设计的目的在于研究和设计基于c a n 总线的海底地磁采 集系统，减少连接导线的数量和系统本身的负荷，提高系统的通用性和灵活性，使用网络和 总线技术对海底的磁场分布进行观测和研究，获取有效数据提供预测地震和军事应用等领域。 本文主要分为以下几个部分进行阐述： 1 介绍了海底观测技术的概况，归纳和总结了国内外海底观测技术的研究现状和发展趋 势，阐述了海底观测网的建立与铺设情况； 2 分析了系统总体结构和各子系统的研究任务，包括海底采集系统中采集节点和控制节 点的任务要求以及海面无线传感网络覆盖分析，概括介绍了系统中包含的关键技术； 3 对海底采集系统中c a n 总线技术进行分析，主要对c a n 技术的特点和技术规范作简单 的介绍，包括c a n 总线的电气特性、分层结构、报文传输、错误检测、冲突仲裁等，诠释本 文采用c a n 总线方案的原因； 4 重点描述了海底聚集系统的设计过程。首先介绍了基于s t c 8 9 c 5 2 微处理器控制的采集 节点结构框图，分别从采集电路、微处理器及其外围电路、c a n 通信接口进行硬件设计，从 c a n 控制器报文的初始化、发送和接收模块进行软件程序的编写与实现。然后介绍了以 s t m 3 2 f 1 0 3 v b t 6 为控制芯片的控制节点模块设计，包括电源电路、微控制器及其外围电路、 通信电路等硬件p c b 电路设计和嵌入式软件的设计流程，并对具体的程序代码进行了说明； 5 基于海底采集传感链连接的浮标系统所组成的海面无线传感网络是课题理论研究的部 分，分别从覆盖角度和能量角度进行算法研究，包括对区域节点的部署和有效较少网络中冗 余节点来提高网络覆盖率的问题进行了讨论，并通过仿真验证算法的有效性； 6 对海底地磁采集系统进行了相关的实验室测试，通过上位机调试界面的编写和显示， 实现了对海底各节点数据的采集、整理和分析，证实了该系统己基本满足了本课题的指标要 求，达到了设计的目标。最后总结了本课题的全部工作，提出了可以进一步完善的地方，并 展望了海底地磁观测技术的应用前景。 关键词：海底观测，c a n 总线技术，数据采集传输，覆盖算法 a b s t r a c t t h es e a f l o o ro b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt os e a r o o rr e s e a r c h ，m a r i n em i n e r a lr e s o u r c e s e x p l o r a t i o na n dr e l a t e dt ot h em a r i n er e s e a r c hf i e l d t h eg e o m a g n e t i co b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yi sa n i m p o r t a n tp a r to ft h es e a i q o o ro b s e r v a t i o n r e c e n t l y , o b s e r v a t i o no fs e a f l o o rg e o m a g n e t i ch a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni na p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l d so ft h ed e e p s e ar e s o u r c e s i n v e s t i g a t i o n ，t h ee a r t h q u a k em o n i t o r i n g ，m i l i t a r ya n t i s e a f l o o ra n ds oo n t h en e to fs e a f l o o r g e o m a g n e t i co b s e r v a t i o ni sah u g ep l a n ，w h i c hi sb a s e do nc o v e r i n gw i d e l yr a n g e o fs e a b e dt h r o u g h t h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h i sf o u n d a t i o nw i l lc h a n g eab l a n ks t a t ei nt h i sh i g h e n d a r e ao fo u rc o u n t r y , a n di ta l s oh a si n i t i a t i v es i g n i f i c a n c eo fm a r i n es c i e n c e ，e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ， p u b l i cs a f e t ya n dn a t i o n a ls e c u r i t yf i e l d s t h es o l u t i o no fs e v e r a lc o r et e c h n o l o g i e st ot h en e to f s e a f i o o rg e o m a g n e t i co b s e r v a t i o nw i l lm a k et h ei m p l e m e n t a t i o np l a nw i t hf e a s i b i l i t yi nt h ef u t u r e t h i st h e s i sf o c u so ni n v e s t i g a t i o na n dd e s i g ns e a f l o o rg e o m a g n e t i cc o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h e c a n b u s ，w h i c hi sr e d u c et h en u m b e ro fc o n n e c t i n gw i r e s ，l o a do ft h es y s t e mi t s e l f , i m p r o v et h e v e r s a t i l i t ya n df l e x i b i l i t yo ft h es y s t e ma n dg e tt h ev a l i dd a t at op r o v i d ef o rt h ef i e l d so fe a r t h q u a k e m o n i t o r i n g ，m i l i t a r ya n t i - s e a f l o o ra n ds oo n t h i sp a p e ri sm a i n l yd i v i d e di n t of o l l o w i n gs u b s e c t i o n s ： 1 t h es e a f l o o ro b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e df i r s t ，a n dt h es t a t e o f - a r ta n dt e n d e n c yo f t h es e a f l o o ro b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yi nd o m e s t i cc o u n t r ya n da b r o a da r ec o n c l u d e da n ds u m m a r i z e d a n dt h e f o u n d a t i o no ft h es e a f l o o ro b s e r v a t i o nn e t w o r ki sd e s c r i b e d 2 t h ep a p e ra n a l y s e st h ew h o l es t r u c t u r eo ft h es y s t e ma n dt h er e s e a r c ht a s ko ft h ee a c h s u b s y s t e ma sw e l l i n c l u d i n gt h em i s s i o nr e q u i r e m e n to fc o l l e c t i o nn o d ea n dc o n t r o ln o d ei nt h e s e a f l o o ro b s e r v a t i o ns y s t e ma n dt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h ec o v e r i n gp r o b l e mo ft h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k a l s ot h ec o r et e c h n o l o g i e su s e di nt h es y s t e mi si n t r o d u c e dg e n e r a l l y 3 t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec a n b u st e c h n o l o g y , m a i n l yi n t r o d u c i n gt h ef e a t u r ea n dt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n so ft h ec a n - b u s ，i n c l u d i n gt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，l a y e r e ds t r u c t u r e ，m e s s a g e t r a n s m i s s i o n ，e r r o rd e t e c t i o n ，c o n f l i c ta r b i t r a t i o na n ds oo n ，a l s ot h er e a s o nw h yt h es y s t e mc h o o s e c a n b u si se l a b o r a t e d 4 t h i sp a p e rd e c s c r i b e st h ed e s i g no ft h es e a f l o o rc o l l e c t i o ns y s t e mi nd e t a i l t h es t r u c t u r e d i a g r a mo ft h ec o l l e c t i o nn o d eb a s e do ns t c 8 9 c 5 2c o n t r o l l e di sa n a l y z e df i r s t l yi nt h et h e s i s t h e d e s i g n i n go ft h eh a r d w a r ei si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n ga c q u i s i t i o nc i r c u i t ，p r o c e s s o rp e r i p h e r a lc i r c u i t ， c o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n da l s ot h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gt h ec o m m u n i c a t i o ni n i t i a l i z a t i o n ，d a t a t r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n t h e nt h ep c bh a r d w a r ed e s i g na n de m b e d d e ds o f t w a r ed e s i g no ft h e i i 杭州电子科技大学硕+ 学位论文 c o n t r o ln o d eb a s e do ns t m 3 2 f10 3 v b t 6c o n t r o l l e di s d e s c r i b e d ，i n c l u d i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t ， p r o c e s s o rp e r i p h e r a lc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t a n dt h e ni tm a k e sad e t a i l e dd e s c r i b eo f s o f t w a r ec o d ed e s i g n 5 t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o m p o s e do fb u o yi n s t a l l m e n tt h a ti sc o n n e c t e dw i lt h e s e a f l o o rc o l l e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi st h er e s e a r c hc o n t e n to ft h et h e s i s f r o mt h ea n g l eo fc o v e r a g e a n de n e r g yp o i n to fv i e w , t h i sp a p e rg i v e st h ea l g o r i t h mt os o l v et h ec o v e r i n gp r o b l e mo ft h e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，i n c l u d i n ga n a l y z i n gt h en o d e sd i s p o s i t i o na n dr e d u c i n gt h er e d u n d a n t n o d e st oi m p r o v et h ec o v e r a g er a t e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h ea l g o r i t h m sa l ee f f e c t i v e ， 6 f i n a l l y , t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h ee x p e r i m e n t so ft h es e a f l o o rc o l l e c t i o ns y s t e m ，、i t l l d e t a i l e dc o l l e c t i o n ，o r g a n i z a t i o n ，a n a l y s i so ft h es e a f l o o rd a t af r o me a c hn o d et h r o u g ht h ed e s i g n a n dd i s p l a yo ft h ep cd e b u g g i n gi n t e r f a c e e x p e r i m e n t sv “分t h es y s t e mi sb a s i c a l l ym e e t i n gt h e s u b j e c to ft h ei n d i c a t o r sr e q u i r e da n dt h ed e s i g nt a r g e t a tl a s tt h ep a p e rm a k e sas u m m a r yo ft h e w h o l ew o r k i n ga n dp o i n t so u tt h ep l a c et h a tc a nb ef u r t h e ri m p r o v e da n dt h e nl o o k sa h e a dt h e a p p l i c a t i o np r o s p e c to fs e a f l o o rg e o m a g n e t i co b s e r v a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s e a f l o o ro b s e r v a t i o n ，c a n - b u st e c h n o l o g y , d a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n ，c o v e t i n g a l g o r i t h m l i l 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 海底观测网络是对海底区域进行长期实时观测、数据的传输和分析以及进行原位试验的 海底无人网络系统，它由光电复合缆、基站、浮标以及一系列的水下监测设备和铺设在海底 的传感器组成。海底观测网络是一种可以实现对海底进行长期实时观测的新型平台，它是在 第一观测平台地面与海面和第二观测平台空中遥测遥感之后，人类探索海洋的第三 个观测平台，是海洋技术领域一个新的热点和发展方向，也是国家安全防护、海洋环境保护、 矿产资源开发和减灾防灾所不可缺少的技术关键和信息获取途径1 2 】。传统获取海底数据的方 法主要是利用船舶投放调查设备或仪器来采集样品获取相关的有效信息，这种方法不但耗时 长、成本大，而且只能获取个别的瞬时信息 3 j 。与传统的海洋观测方法相比，海底观测网络 具有十分明显的优势，它不仅将需要的数据信息通过布网的方式获取，还可以进行实时观测。 该技术的发展与应用也一直备受各国科研工作者及应用者的重视和关注。而海底地磁观测技 术则是海底观测的一个重要组成部分，在海底科学研究、海洋矿产资源勘察、海底地震监测、 军事反潜等领域，都具有重要的应用意义。 海底地磁观测有利于了解和认识海底区域的地质结构特征，如火山岩浆、残坡积物、断 裂带分布等，对海底科学研究和探索有着举足轻重的作用 4 1 。通常来说，大洋的磁异常现象 不同于大陆磁异常特征，它具体表现为条带状磁异常和链状磁异常，前者的特征是互相平行 且正负相间，后者是由带有磁性的海山链引起一系列尖峰状的磁异常所形成。科研人员可以 通过研究和推算各区域地貌的形成年份和演变过程，为研究板块构造特征和海底扩张等提供 数据信息【5 1 。 在海洋矿产资源观察和勘探中，海底不同岩性的地层组成了岩层，不同的岩性以及岩石 中的各种矿产资源都具有不同的导磁率和磁化反应，因而其周围会产生不同的磁场变化，铁 磁性物质、热液岩体及海底断层都能引起异常的磁力变化，通过对海底地磁场强度的观测和 测量以及对磁异常产生的数据进行处理和分析，从而反演解释海底的矿产资源的分布情况， 这是给科学家们进行海洋矿产资源的研究提供了重要的信息来源。 促进海底地磁观测技术发展的另一个重要原因是开展地震预测工作的需要。研究表明： 地球基本磁场的总强度通常是在地震前下降，地震后上升：在级别较大的地震断层分裂的极 震区会出现极为剧烈的局部地磁场异常的情况，而实际上，大部分地震是发生在海底【6 】。因 此我们将地磁观测仪器铺设在海底，通过海底地磁场的测量及数据的处理分析，得到海底观 测区域的地磁异常情况，从而达到预测海底某区域磁场变化来预测沿海地震的目的。重视 海底地磁的长期观测和分析，结合其他科学的综合研究，将是进行地震预报探索研究中最有 杭州电子科技大学硕士学位论文 前景的方法。 在军事领域上的应用主要包括海洋军事反潜、探测和敌我目标识别。由于潜艇战和反潜 战的需要，海军加强了对海洋环境、特别是海底环境的研究，水下“空间”的军事技术使海 军的活动范围不断扩大，潜艇水下定位操作，水下侦察活动，水下营救和打捞等已经引起各 国对海底观测技术的重视；水下导弹发射基地和海底军用仓库的建立、反潜预警系统的设计 等大型军事应用技术使得对海底地磁观测研究提出了更高的要求。发现磁力分布异常后，立 刻测量出潜艇的位置、深度和吨位等参数，经过敌我识别，确定为敌方目标后即采取反潜措 施【7 j 。看似平和的海底环境参数，可以在高新技术的支持下建立起无形的防线，成为探查敌 情的有力武器，这对于海洋军事的进一步发展具有重要的研究价值。 海洋地磁观测网是一个以大范围海底覆盖为基础，以信息传送网络化为依托的庞大计划， 它的建立将改变我国在这一高端领域处于空白的状态，在海洋科学、环境科学、公共安全、 国防安全等领域都具有开创性意义。而海洋地磁观测网的若干关键技术的解决，将使得在未 来实施海洋地磁观测网计划具备可行性。本文期待解决的基于c a n 总线的海底地磁数据链技 术，以及海面浮标节点的无线传感网络覆盖问题，是海洋地磁观测网中的重要技术支撑，对 于该计划的实施具有较重要的预研价值和参考意义。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 关于海底观测系统的建设走在最前面当属美国，在冷战时期美国海军就构想了水声监视 系统( s o s u s ) ，该系统是由水下各种听音器组成，分别铺设在大西洋和太平洋中，主要是 用于军事领域以便监听苏联潜水艇的动向【8 】。随后，这个系统的构思经过改进后运用了新的 海底观测技术，逐步形成了海底观测网络系统的思想，即将观测平台铺设在海底，通过检测 设备或仪器相互联网的方式将采集到的数据和各种信息送到岸边的基站进行实时处理及控 制。将观测平台铺设到海底，不仅可以实时地连续观测海洋底部地壳的变化过程及地质结构 参数的改变情况，而且还能摆脱电源寿命、天气和数据延迟等各种条件的限制和约束，是一 种全新的研究途径，再将海底采集的信息传递给基站的科研工作人员以满足各方面的需求。 海底采集的数据与基站之间的通信方式分为两种，即无线和有线通讯方式，无线通讯包括卫 星、数传电台和c d m a 等，有线的通讯方式主要包括光纤通讯和电缆传输。这就是海底观测 网技术最早的想法和概念。 美国提出的海底观测网络这一构思推动了全球海底网络化的设想，国外从9 0 年代就开始 对海底观测网进行研究，目前还包括西方及亚洲的日本和韩国等国家对海底观测系统的建设 投入了相当大的建设。2 0 0 3 年由日本提出了a r e n a ( a d v a n c e dr e a l t i m ee a r t hm o n i t o r i n g n e t w o r ki nt h ea r e a ) 计划，利用铺设在海底的缆式网络，组成了水上、水下立体的海洋监测系 统，该计划基于长时间的实时监控海底综合性网络系统，构筑起海洋学、地震学以及海底能 源和矿产开采等多领域的应用平刽9 】；2 0 0 4 年，由欧盟、英国、德国和法国等国家研究所指 定的欧洲海底观测网络计划( e s o n e t ) ，该网络计划遍及了欧洲沿岸深海领域，整个系统 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 用大约5 0 0 0 千米长的海底电缆所铺设，把欧洲的1 0 个区域性监测网络全部连接起来，目标 是作为欧洲全球环境和安全监测的一个海底重要组成部分，在生物化学、海洋学、渔业等领 域提供长期的监测功能，另外e s o n e t 也承担了一系列的科学研究项目，诸如估测挪威海冰 的变化情况对深水环流的影响以及检测了地中海的地震活动等【1 0 j ；2 0 0 6 年6 月由近海、区域、 全球三大海底观测网络组成的海洋观测计划( o o i ) ，o o i 计划将为观测海洋过程如气候变 化、海洋酸化、海洋环流等提供一个海底传感器网络，该传感器网络测得的数据会实时输送 到岸基的计算机系统中集成处理，该计划从根本上改变了海上采集数据的范围和密集度，为 新型仪器的自动观测提供了平台；2 0 0 7 年，由美国和加拿大合作在北太平洋海底建成并投入 观测网海王星计划( n e p t l 丌q e ) ，该计划建立了两个观测台，一个是维多利亚海底实验网络 v e n u s ( v i c t o r i ae x p e r i m e n t a ln e t w o r ku n d e rt h es e 曲，另外一个是蒙特利加速研究系统 m a r s ( m o n t e r e ya c c e l e r a t e dr e s e a r c hs y s t e m ) 。该网络由布置于大洋海底的3 0 5 0 个观测站节 点和陆地控制中心组成，光电缆总长达3 0 0 0 千米，针对海底深部活动构造、热液活动和极端 生态环境，采集物理、化学、生物及地质材料等信息，通过光纤实时传至陆地控制中心，每 个观测站并附载着各种类别的传感器，约相隔几千米远，n e p t u n e 预计的使用年限至少在 2 0 到3 0 年之间，n e p t u n e u s 的建设也已于2 0 0 9 年获得了美国财政的拨款正在启动之中 u 卜1 ；类似的海底观测平台网络还有美国夏威夷的h 2 0 、新泽西大陆架观测网络计戈i j ( n j s o s ) 等l l4 。，其中较为成熟的是基于a r c l n f o 平台的“蒙特利湾海洋地理信息系统”s s d s ( s h o r es i d e d a t as y s t e m ) ，是由美国蒙特利湾生物研究协会( m b a r i ) 建立的，用户可以通过网络获取各种 信息并对其进行可视化的显示。 科技的进步总是伴随着国家经济的发展，在海底观测研究方面，我国起步相对较晚。“十 一五”期间，福建省“台湾海峡及毗邻海域海洋环境实时立体监测系统”项目正式列入国家 “8 6 3 ”计划资源与环境领域重点项目，在8 6 3 计划的资助下，我国开展了深海海底长期观测 网络节点试验等关键技术研究，主要包括发展了海底接驳盒及传输能源通信技术、海底化学 环境原位监测技术、海底动力环境原位监测技术、海底网络组网的标准技术以及海底网络试 验、布防和维护技术等若干海底观测网络组网的基本和关键技术，在海底观测网络的能量供 应、信息传输、布防维护、组网的标准以及系统集成等方面取得了重要的进展和突破【1 5 1 6 1 。 随后，广州近海海域综合监控管理信息系统也正是开始设计与筹备，该系统的目标是建立“四 位一体”的海洋信息化平台，实现对广州周边海域数据采集及动态监控等方面提供可靠的信 息来源于应用。 与此同时，我国在近海大陆架浅海区域也建立了浮标观测系统，在渤海建立了近岸海洋 生物环境观测系统。国家海洋局组建了全国海洋环境立体监测网，该网络是利用船舶、浮标、 卫星以及基站等多模块构成的立体监测系统，主要目的是对我国管辖内的全部海域实旋观测 计划。该观测体系对海洋赤潮、海洋污染、海上巨浪以及海上溢油等海洋环境问题进行跟踪 及反馈。2 0 0 6 年上海建成了中国第一套海底观测的组网技术系统东海海底观测小衢山试 验站。该试验站由海洋登陆平台、控制和信息传输模块、1 1 千米的海底光电复合缆、多种传 杭州电子科技大学硕士学位论文 感器以及基站所组成【1 7 】。自该系统试运行以来， 建设深海海底观测系统研究提供了成功的保障， 服务。 数据完整率达9 5 以上，为今后我国进一步 同时也为上海建设国际航运中心提供便利与 虽然随后我国在北京、江苏等地也建立了地震探测网点，在海上建立了海洋环境监测网 点，而以长期观测海底地磁变化的监测网却没有真正建立。我国在海底长期观测系统建设方 面较发达国家来说相对落后，基于我国地震监测和军事反潜方面等需求，对海底地磁仪器设 备和组网技术的研究是海洋技术中必不可少的工作，随着海洋高新技术的不断深入与发展， 未来海底地磁观测技术也将成为全国海洋监测网的关键组成部分，应用于海洋环境地质监测 活动之中，对于我国的环太平洋的东南沿海地区的地磁异常变化提供宝贵数据。从这个意义 上来看，对海底地磁观测技术的研究更具有重要的创新意义。 1 3 主要研究内容 本课题鉴于国内外的发展现状，为了提高系统的通用性和灵活性，并同时减少连接导线 的数量和系统本身的负荷，使用网络和总线技术对海底的磁场分布进行观测和研究，获取有 效数据提供给科学研究、预测地震和军事应用等各个领域。本设计研究的主要内容是实现基 于c a n 总线的海底三分量地磁检测数据的采集，实时显示海底地磁数据的变化情况，并实现 以最少的浮标节点所组成的无线传感网络算法，提高网络的覆盖率和数据的可靠性。传感器 采用新型的高灵敏度巨磁阻磁力仪收集海底地磁的三分量磁场变化情况，s t c 8 9 c 5 2 和 s t m 3 2 f 1 0 3 分别作为水下采集系统中采集节点和控制节点的微控制芯片，采用无磁钛合金材 料的高压密封舱进行密封处理，使得其磁性干扰大大降低，更适用于深海底这一特殊的工作 环境。 本设计研究的主要内容是： 一，c a n 总线技术的概论。这部分主要对c a n 技术的特点和技术规范作一个简单的介绍， 主要包括c a n 总线的电气特性、分层结构、报文传输、错误检测、冲突仲裁等，诠释 本文选择采用c a n 总线技术的原因； 二，海底采集系统中采集节点的设计与实现。该部分主要内容有采集节点的总体结构框 图；采集节点硬件电路的设计，包括传感器采集模块、微控制器及其外围电路、c a n 通信接口电路；采集节点总线控制器的程序设计，包括c a n 总线控制器的初始化以及 报文的发送与接收的软件设计等； 三，海底采集系统中控制节点的设计与实现。该部分主要内容有控制节点的总体结构框 图；控制节点硬件电路的设计，包括微控制器及其外围电路、电源电路、c a n j 虚i 信电 路的设计，硬件电路p c b 图各器件的布局布线、焊接，以及各部分电路的调试等；控 制节点通信程序的设计； 四，海面无线传感器网络覆盖问题的研究。该部分主要包括从覆盖角度和能量角度进行 算法研究。从覆盖角度分析，如何在规则的区域部署浮标节点，在保证一定的服务质 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 量条件下，达到最大的网络覆盖范围；从能量角度分析，怎样有效减少网络中的冗余 节点，提高网络的覆盖率，并对于无线传感器网络覆盖问题的仿真结果进行分析； 五，系统组装、调试以及相关的实验。该部分主要内容包括海底地磁采集系统的密封组 装设计，系统的实验室模拟实验，对海底各节点数据进行采集，通过编写的上位机调 试界面实时或滚动显示，最后对现场数据进行了整理和分析。 杭州电子科技人学硕十学位论文 第2 章系统总体方案设计 在传统的海洋观测系统中，基本上都是采用集中采集并且集中控制方式，即主控模块控 制其他各个单元，比如采集单元、传感器单元、数据传输单元以及数据存储显示单元等。不 同单元和主控制模块主要是通过串行接口，如r s 2 3 2 接口进行连接通讯，这种传统的连接方 式只能实现点对点的通讯方式，不能实现联合布网的功能。传统的系统结构图如图2 1 所示。 传统的系统结构最大的特点是采用体积较小的单片机，在数据量小的前提下单片机负责集中 采集和集中控制作用，就能够保证整个系统的f 常通信和显示，但传统系统的缺点也是很明 显的，因为主控模块负责全部单元的数据采集、存储、传输以及显示等操作，一旦发生故障， 整个系统将无法f 常运行，每个单元模块的工作也将停滞不前，如果采用传统的系统结构发 生这样的事故的危险率就很高；其次，整个系统的接线过于繁杂，每个单元都需要有一对专 用的双绞线或者电缆传输信息，如果采集的数据较多，系统所需的电缆和接e l 就要很多，大 大增加了检测维修的难度，也加大了工作量和投资的费用；再次，传统的系统结构采用的是 相对封闭式的系统，扩展性较差，微控制器是采用8 位处理器，主频率较低，面对同益增加 的数据采集量和任务实时响应等要求，在很大程度上传统系统在移植性、可靠性和实时性等 方面都受到了一定的限制l l 引。 风速传感器 报警器 图2 1 传统的系统结构图 从海洋观测平台的实际特点出发，分别从系统的可靠性、实时性、可操作性以及成本等 几个方面综合考虑，本系统最终选用基于一种有效支持分布式控制的串行通信总线c a n 总线 作为海底布网的方式，对海底地磁观测技术进行探索和研究，设计并实现海底地磁采集系统， 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 并对海面无线传感网络的覆盖问题进行理论研究，c a n 总线的引入使得整个海底观测系统的 布网技术上了一个新的台阶。 2 1 系统总体结构 磁力仪传感器铺设在海底，基于c a n 总线布网技术将海底的地磁数据的实时变化情况通 过声通信机发送给海面上的浮标系统，浮标所组成的无线传感网络再将数据信息通过通讯卫 星传输给岸基的上位机，因此，整个系统由海底和海面两个部分组成。 由于海底地磁观测平台的各个模块都是以智能控制单元为主控单元，因此海底采集系统 的网络拓扑结构采用结构简单、成本低、系统可靠性较高的总线型比较合理，其中供电系统 采用1 2 节干电池，由高压密封舱进行封装后放入海底，这样设计主要是为了尽量减少受磁力 仪周围的铁磁性材料影响给系统带来的初始误差。海底的采集系统中包括两类节点：智能采 集节点和控制节点，其中采集节点将海底铺设的磁力仪传感器的数据采集并存储起来，通过 c a n 总线发送至控制节点。控制节点需要收集并处理每个采集节点的数据，并将数据整理后 通过声通信机发送至浮标。每个智能控制节点的单条传感链所对应的浮标系统组成了海面上 的无线传感网络，对浮标节点在区域内的设计部署以及有效的减少网络中的冗余节点是本课 题中关于无线传感网络所要研究的理论问题。系统整体图如图2 2 所示，其中对海底的采集 系统的设计与实现和对海面无线传感网络的覆盖算法的理论研究是本课题的主要内容。 图2 2 系统整体图 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 各子系统的研究与分析 2 2 1 海底采集节点的任务分析 海底地磁观测系统中采集节点是独立的c a n 总线节点，其主要任务是将铺设在海底的磁 力仪的工作信号参数进行处理并送给微控制器，经过c a n 协议转换形成符合c a n 协议规范 的数据帧格式，通过c a n 网络向控制节点传送各个节点的实时数据变化情况，实现了数据采 集节点与控制节点之间的通信，同时接收由控制节点通过c a n 网络传送到该节点的控制命 令。 2 2 2 海底控制节点的任务分析 控制节点是整个海底采集系统中的中心节点，它的设计与实现关系着海底c a n 网络是否 正常通讯。控制节点主要完成的功能是接收各个采集节点的数据信息并处理相应的程序；提 供c a n 电路的接口，实现与其他采集节点的数据的c a n 通信；提供串口接口，实现与上位 机调试程序的通讯与实时地显示各采集节点的信息，并将数据通过声通信机发送至海面上的 浮标系统。 2 2 3 海面无线传感网络覆盖分析 海面上的浮标系统所组成的无线传感网络将每条传感链采集到的海底地磁数据以中枢浮 标节点通过通讯卫星发送至陆地的接收装置以提供给工作人员在科学研究中所需的重要数 据。覆盖问题是无线传感网络拓扑管理所面临的首要问题，本课题对覆盖问题的理论研究主 要将从覆盖角度和能量角度出发，如何在区域内对浮标节点进行合理地部署达到覆盖面积的 最大化以及如何有效地减少网络中的冗余节点提高网络的利用率是研究的两大主要问题。 2 3 系统的关键技术 ( 1 ) c a n 总线布网技术 选用c a n 总线对海底地磁进行观测和研究，诸多的传感器信息都在c a n 总线上传输， 需要综合考虑设计c a n 网络的拓扑结构，并且要有一个可靠的c a n 总线应用层协议，这是 本课题实现的一个关键技术。 ( 2 ) 海底数据采集技术 海底的数据采集模块在海洋观测系统中起到了中坚的作用，它是海底观测平台能否实现 自动化的关键。根据数据采集过程的特性以及结合海洋观测系统的特点，为了提高可靠性和 稳定性，要对海底数据采集模块进行合理的设计、选购合适的传感器和元器件以及可靠的供 电电源等，特别是探测地磁的传感器中，要特别考虑到抗强弱电磁的干扰，以免对结果带来 误差。 ( 3 ) 嵌入式智能控制节点的设计 由于布网系统在海底，工作环境较为复杂，在投放、拖拽的过程中极有可能发生强烈的 震动等情况使系统出现异常。因此，本课题设计除了能实时传输海底区域采集到的磁场信息 杭州电子科技大学硕士学位论文 外，还需确保接收到的数据安全、可靠、可用。这就使得嵌入式智能控制节点的设计与实现 显得尤为重要。将智能采集节点的信息通过c a n 总线的方式传给智能控制节点，此节点需及 时地将这些信息进行处理，对数据的有效利用并提高信息的传输率是本设计需要解决的关键 问题。 ( 4 ) 海底电子系统的实时通信接口技术 考虑到在一些应用中需要对磁力仪所采集到的磁场数据进行实时读取、处理和分析，实 现现场数据的实时传输、设备间相互通信以及控制系统的同步处理。因此，串口通信接口技 术是本次课题所要研究的核心问题。 ( 5 ) 海面无线传感网络的覆盖问题 在传感器网络中，传感器节点通常是由电池供电，容量十分有限，而且部署在无人值守 的海面上，不能持续充电，因此能量的有效利用是延长网络生命周期的关键所在。传感器网 络的覆盖问题是传感器网络拓扑管理的基本问题之一。如何部署无线传感网络中各个浮标节 点，在保证一定的服务质量的前提下，达到最大的网络覆盖范围，这样就可以对该区域的地 磁进行最大面积的观测。同时，每个浮标节点都具备一定的传感范围，在节点分布随机的情 况下，很多节点的传感范围会出现重叠现象，这就会有冗余节点的出现，如何将这些冗余节 点有效地进入休眠状态是本设计需要解决的关键问题。 2 4 本章小结 本章首先针对海底这一特殊环境，分析了传统设计方案的缺陷，提出了本系统总体方案 的设计，并给出了整个系统的结构框图，简单介绍了海底地磁观测的设计思路。接下来，对 各子系统模块进行详细研究与分析，包括对海底采集系统中采集节点和控制节点的任务分析 以及海面由浮标组成的无线传感网络的覆盖问题提出了研究的主要内容。最后分别从总线布 网技术、海底数据采集技术、嵌入式智能控制节点的设计、海底电子系统的实时通信接v 1 技 术和海面无线传感网络的覆盖问题五个方面提出了本课题所要解决的关键技术。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第3 章c a n 总线技术概述 3 1c a n 技术简介 c a n 的全称是c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，即控制器局域网，是目前应用最为广泛的现场总 线之一【1 9 1 。最早开始使用c a n 总线的是德国b o s c h 公司，主要用于监控和控制汽车，世界 上许多著名的汽车制造商最初都采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统与检测机构之问的 通讯传输【2 0 】。目前，由于c a n 总线本身的特点与优势，已经被广泛地应用在除了汽车业的 各种其他行业，包括纺织、军用、机械、工业、医疗、民航、机器人以及各种传感器等领域， c a n 总线都发挥着举足轻重的作用以及不可比拟的优越性。 随着c a n 在各种场合的应用和推广，c a n 已经形成国际化标准，1 9 9 1 年9 月p h i l i p s 公司制定并颁布了c a n 技术规范。该技术规范分为2 0 a 和2 0 b 。其中c a n 2 0 a 是c a n 报文标准格式，而c a n 2 0 b 则是给出了标准和扩展两种格式。之后在1 9 9 3 年末i s o 正 式颁布了i s 0 1 1 8 9 8 c a n 国际标准，为控制器局部网际标准化和统一化奠定了基础。从 此控制器局部网在我国正不断地普及并迅速地发展仁0 2 2 j 。 3 2c a n 总线特点及方案的确定 c a n 总线属于串行通信网络，与其他的现场总线相比，c a n 总线的传输具有可靠性、 灵活性、易用性和实时性等特点。从海底观测系统的实际环境出发，综合比较各种总线后发 现c a n 总线具有较大的适用性，其主要的性能特点概括如下 2 3 - 2 5 ： ( 1 ) 通信方式灵活。c a n 为多主方式工作，在任何一个时刻总线上任何一个节点都可以主 动向总线上的其他节点发送报文信息，无主从关系可分，最先访问总线的可以获得总线 的控制权。节点信息拥有不同的优先级，可以满足不同的实时需求。利用这个特点，可 以方便地构成多机冗余系统。 ( 2 ) 传输距离远。c a n 总线传输速率在5 k b s 以下，即可说明通信距离最远可以达到1 0 千 米，而如4 8 5 总线再低的速率下也只有1 千米左右；c a n 总线的通信速率最高可达 1 m b s ，此时的通信距离最长为4 0 米，所以c a n 总线在长距离的传输上有很大的优势。 ( 3 ) 终端可挂节点数多。理论上，c a n 总线上的节点数可以达到2 0 0 0 个，实际情