無線網絡傳感器系統在地質災害監測中的應用

摘要：設計了一個基于無線網絡傳感器結構的野外數據采集系統，并將其應用于地質災害監測中；以RAT86RF212和SIM300C芯片為核心，搭配相應的處理器芯片和外圍功能芯片，組成系統的硬件部分；以簇樹路由算法為核心，進行相應硬件模塊的驅動程序開發與系統應用程序的編制，組成系統的軟件部分；目前該系統已經應用于云南省大關縣示范區地質災害監測中，實踐證明，無線網絡傳感器系統符合設計的指標，性能可靠，安裝簡便，非常適合于野外工作的要求。

關鍵詞：地質災害；無線網絡傳感器；AT86RF212：SIM300C

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2011.08.007

引言

近年來我國地質災害的發生頻率越來越高，由此造成的損失也逐年加劇，對地質災害進行監測的儀器研制工作就顯得非常重要。目前已經研制并應用的監測儀器主要是通過線纜連接前端的傳感器，這種方式的主要缺點是架線比較困難、同時連接的傳感器數量有限，不適合地形復雜、要求監測點多的地質環境。本文提出的無線網絡傳感器系統，針對地質災害監測的應用環境，在物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4協議，在網絡層采用了ZigBee協議，進行了降低功耗和簡化路由算法的工作，有效的增加了傳感器數量，相對于有線方式具有很大的優越性。

無線網絡傳感器系統

無線網絡傳感器系統由傳感器節點、基站節點、監控中心組成。傳感器節點都具有路由功能，它們與基站節點按照簇樹的分層結構自治地組成網絡。傳感器節點對災害體變形位移量等進行采集，采集的數據經過處理后，沿著自身優化的路由算法路徑傳送到基站節點，基站節點匯聚各個傳感器節點采集的數據并進行數據融合，通過GPRS網絡最終到達監控中心，無線網絡傳感器體系結構如圖1所示。

傳感器節點受到存儲容量有限、計算能力有限、電源能量有限等諸多條件的限制；基站節點連接傳感器網絡和外部網絡，負責不同協議之間的轉換和數據融合工作，實質上起到了一個網關的作用：監控中心對整個網絡進行管理，獲取監測區域的多種災害體實時信息。

硬件系統設計

本系統硬件部分包括傳感器節點和基站節點，由于功能不同，它們的硬件結構是有區別的。

傳感器節點

傳感器節點由數據采集處理單元、無線通信單元與供電單元構成、硬件原理框圖如圖2所示，位移傳感器采用了高精度的線性電阻，可以保持1mm的測量精度；數據采集處理單元選用了Atmel公司的ATmega11281處理器，它具有功耗低和集成度高的特點，內置AD轉換器，完成數據采集的工作。

無線通信單元采用了Atmel公司的AT86RF212芯片，它工作在780MHz(IEEE 802.15.4C)的中國WPAN頻段，適用于IEEE 802.15.4與Zigbee標準，支持IEEE 802.15.4、zigbee協議棧，接收靈敏度可達，110dBm，AT86RF212的外圍電路如圖3所示。ATmega11281通過SPI接口與AT86RF212相連，完成數據的發送與命令的接收任務。

供電單元依靠外部的3.6v鋰電池為以上的各個部分提供電源，數據采集處理單元和無線通信單元需要3.3V供電，可以直接通過電池提供；位移傳感器需要5、叫其電，需要通過DC-DC模塊把3.3V升壓為5V。考慮到節能需要，只是在采集的時間點給傳感器供電，在睡眠期通過MOSFET模塊把這部分供電切斷以節約電池的電量。

基站節點

基站節點不需要具有數據采集的功能，但是需要連接傳感器網絡與GPRS網絡，負責接收監控中心下發的命令(定時采集間隔等)、接收傳感器節點的請求與數據，具有網絡協調、數據融合、下發命令、上傳數據等功能。主要由處理單元、無線通信單元、GPRS單元、供電單元構成，硬件原理框圖如圖4所示，供電單元采用外部DC電源、以保證給基站節點的持續供電。

處理單元采用了恩智浦公司的LPC2119處理器，屬于ARM7內核的32位嵌入式芯片，內部集成了多個串口，可以在上面運行μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統以方便并行的運行多任務、進行數據的處理。

無線通信單元使用了ATmega11281和AT86RF212的芯片組合，這個組合已經在傳感器節點的設計中得到了驗證、LPC2119通過串口與ATmega11281相連，接收各個傳感器節點上傳的數據，下發監控中心給各個傳感器節點的命令。

GPRS單元采用了SIMCOM公司的SIM300C，它屬于工業級的GSM/GPRS雙頻模塊，集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，內嵌了TCP/IP協議棧，適用于二代以上的移動網絡。LPC2119通過串口與SIM300C相連，撥號進入移動網絡，進而與互聯網連接，接收監控中心下發的命令，把經過整理的各傳感器節點采集的數據上傳給監控中心。

軟件系統設計

軟件系統包括系統的基本算法與各節點實現不同功能的程序設計。

無線網絡傳感器技術在各種無線網絡中具有明顯的特點，節點分布密集、數量眾多、自身能量有限、有自組織能力、網絡拓撲結構可以動態變化：新興的ZigBee技術正是針對這些特點而誕生的，它具有低功耗、自動路由、時延短、網絡容量大、安全性高等技術特長，目前還處于高速的發展完善中。

路由算法

進行地質災害監測的環境普遍比較險峻，如果頻繁地更換傳感器節點的電池則不太現實，傳感器節點的能耗考慮就被放在了首要的位置，整個系統的設計都是圍繞著這個中心點展開的。ZigBee規范支持三種網絡拓撲結構：星狀網、網狀網、簇樹狀網。星狀網通信范圍有限，所有傳感器節點都必須在基站節點覆蓋范圍內：網狀網任意兩個節點之間存在多條路徑，其發現的路徑是最優的，但是冗余度大，尤其是針對資源有限的傳感器節點：簇樹狀網采用分級路由策略傳送數據和控制消息，不用路由表，查詢速度快，但是如果關鍵路由節點癱瘓，那么相應區域就進入通信癱瘓狀態，同時路由路徑往往不是最優的。

ATMEL公司為AT86RF212芯片以庫文件的形式提供了ZigBee協議棧和低一層次的IEEES02.1S.4協議棧接口函數，不過這些函數封裝程度高，無法直接操作底層，不利于控制功耗。

系統核心路由算法參考了ZigBee規范，在簇樹狀網絡拓撲結構的基礎上，參考節點的路由深度、可接納的鄰居節點個數、鄰居節點的信號強度等參數，選擇最佳路由路徑，此算法主要是通過每個節點直接操作寄存器實現的。采用了簇樹狀網絡的父子節點和網狀網的路由表設計概念，基站節點屬于協調器，傳感器節點屬于路由器，每一個節點都有一個唯一固定的16位短地址，每個節點的路由表可以容納30個鄰居節點，整個網絡的路由深度可以到8級。

程序流程

基站節點的主要作用是建立一個網絡、接受傳感器節點加入網絡、接收傳感器節點發送來的數據、處理數據并通過GPRS模塊把數據發送至監控中心。由于基站節點要運行2個以上的并行任務，在底層使用了μc/OS-H嵌入式操作系統，開機后建立了ZigBee任務和GPRS任務，ZigBee任務初始化后就建立一個網絡并進入監聽和等待狀態，收到傳感器節點的入網請求后向其發送包含時鐘時間的確認消息，建立連接，等待接收數據，數據接收成功后把數據轉交給GPRS任務的同時，把最新的時鐘時間回傳給發送者：GPRS任務初始化后按給定IP地址連接監控中心，連接成功后定時發送“心跳”數據包以保持數據鏈路，在接收到ZigBee任務轉發的數據后立即將其發送到監控中心。因為基站節點起到了網絡協調器的作用。需要持續監控網絡，所以一直處于正常工作模式，其流程如圖5所示。

傳感器節點的作用是根據監控中心設定的時間定時被喚醒、加入網絡、采集數據、接受其它節點的入網請求、轉發數據等，出于節能和減少網絡復雜度的考慮，每一個傳感器節點都具有睡眠和路由功能。在待入網節點上電之后會首先發送廣播用于尋找附近的無線節點，如果當前有節點已經聯入網絡，則回復包含時鐘時間、路由級數、信號強度的數據包，該待入網節點將按照回復的時間設置睡眠時間、選定路由路徑并進入睡眠；如果沒有回復(附近節點沒有入網或已入網但處于睡眠狀態)，該待入節點只保留RF接收模塊處于工作；當附近入網節點醒來后進行采集和向基站節點發送數據的工作，如果成功都會發送包含時鐘時間、路由級數、信號強度的數據包詢問附近是否有待入網的節點存在，處于監聽狀態的待入網節點收到后會從中按照設定的路由機制選擇一個最優節點，并按照數據包的內容進入睡眠并按時喚醒，其流程如圖6所示。

在標準的ZigBee網絡中，只有終端節點具有睡眠功能，路由節點才是正常工作的：從節省能量的角度考慮，路由節點加入了睡眠功能，這對時鐘時間的同步性提出了較高的要求。系統以基站節點的時鐘時間為基準，每一個節點在入網和發送數據后都要參考它進行同步，以保證路由功能的可靠性，考慮到無線收發具有的延遲性，每個節點睡醒后的工作時間為2秒，在這個時間段內按照目前設定的網絡規模可以保證備節點的時鐘時間可以保持同步。

無線網絡傳感器系統已經在云南省昭通市大關縣職業技術中學安裝了一套進行實驗，包括1個基站節點和2個傳感器節點，監測2條裂縫的變化，采集的數據回傳到在河北省保定市設立的監控中心，安裝儀器的地區屬于群測群防全國示范區之一。現場地勢比較起伏，在安裝時每個節點之間保持目視可見，基站節點以12V直流為電源，傳感器節點以3.6V鋰電池為電源。目前系統工作穩定，采集的數據已經存入監控中心數據庫中，儀器系統的工作模式和采集的數據的精度達到了設計的要求，實驗的數據如圖7所示。

結論

隨著電子技術在軟硬件方面的快速發展，無線網絡傳感器技術的實用化已經全面鋪開，將其引入地質災害監測領域具有重要的現實意義。

本文提出了一種新型的地質災害監測設計方案，結合ZigBee無線網絡技術、基于簇樹路由算法，構造了地質災害的無線多點監測，拓寬了監測面積，提高了信號傳輸效率，目前已經應用于大關縣示范區變形地質災害監測，具有極高的使用價值。