基于SOPC技术的水声传感器网络节点设计.pdfVIP

1 基于 SOPC 技术的水声传感器网络节点设计 王建国，牛炯，黎明 （中国海洋大学工程学院，青岛 266100 ） 摘要 水下环境的复杂性和不确定性给水声传感器网络节点的设计带来了诸多困难。本文提出了一种基于 SOPC 技术的、灵活的、可配置的水声传感器网络节点的设计方案。系统的核心部分采用 Altera 公司的 CycloneII系列FPGA实现。介绍了节点设备的设计思想、功能和关键技术，详细说明了数字化水声通信收 发通道的设计。 关键词：水声传感器网络；FPGA SOPC；参数化 中图分类号：TP23 文献标识码：B The design of underwater acoustic sensor network node based on SOPC WANG Jian-guo, Niu Jiong, Li Ming ( College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100 ，China) 【Abstract 】 Due to kinds of uncertainties and complexities of underwater environment, there are many difficulties in the design of underwater wireless sensor network nodes. A reconfigurable and flexible design scheme for UASN Node device is proposed based on SOPC (system on programmable chip) technology. The core part is developed by Cyclone II FPGA of Altera company. The design idea, function and some key technology are introduced. And the digital underwater acoustic tranreciever design is discussed in detail. 【Key words 】 Underwater acoustic sensor network, FPGA SOPC, Parametric 1 引言 近几十年来，随着世界各国对海洋开发和利用步伐的加快，对海洋信息的连续实时监测 有着重要的意义。水下无线传感器网络(Underwater wireless sensor network,简称UWSN) 是海洋环境立体监测系统中的重要组成部分，它由大量具有计算和通信能力的传感器节点组 成，各节点被分布在指定的海域，执行连续的协同监测任务。大量传感器节点随机部署在监 测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络[1]，以适应复杂的海洋环境监测要求。UWSN 可以有效地实现海图数据的采集、污染监测、灾害预警、导航等功能。水声是目前在水中实 现远距离无线通讯的唯一手段，水声传感器网络(Underwater Acoustic Sensor Networks, UASN)是 UWSN 中的主要研究方向。 鉴于水下环境复杂性，水下传感器网络节点的设计方式和陆地上基于射频的设计方式有 很大的不同。相对于陆地上的无线传感器网络节点，UASN 节点的成本较高、功耗大、部署 密度稀疏[2]。水声信道的带宽有限、海洋噪声复杂、具有多途效应和多普勒效应，这些特殊 性给 UWSN 中的水声通信、协议设计等方面带来了很大的挑战，增加了设计的不确定性。 本文针对这一问题，提出了基于 SOPC(System On Programmable Chip)的UASN 节点的设 计方案，目标是为 UASN建立一个开放式的节点硬件设计平台，其优点是配置灵活、扩展性 强、接口丰富。本设计充分利用 SOPC 技术的特点，以 Altera公司的 Cyclone II 系列FPGA 为基础，开发可以灵活配置的协议栈、水声通信算法、硬件逻辑等，从而有效