無線傳感器網絡在青藏鐵路凍土監測領域的應用

唐　松，尼瑪扎西，高定國（西藏大學工學院，拉薩850000）

無線傳感器網絡在青藏鐵路凍土監測領域的應用

唐松，尼瑪扎西，高定國
（西藏大學工學院，拉薩850000）

介紹了開展無線傳感器網絡在青藏鐵路凍土監測領域應用研究的必要性，提出了青藏鐵路凍土監測的無線傳感器網絡主要研究開發內容、應用場景、節點的硬件設計和軟件設計。指出青藏鐵路凍土監測的無線傳感器網絡應具備經濟、高效、實時、便捷、節能的特點，能有效促進無線傳感器網絡的凍土監測示范系統的部署和建立。

無線傳感器網絡；青藏鐵路凍土監測；節點；示范系統

1　開展應用研究的必要性

當前青藏鐵路凍土監測主要采用人工巡視和電子設備監控的方式，但這兩種方式不能同時滿足經濟、高效、實時、便捷、節能的監測要求。無線傳感器網絡（WSN）兼具這些特點，因此開展對無線傳感器網絡在青藏鐵路沿線凍土環境監測領域的可行性研究，并建立示范系統進行應用驗證和展示具有重要意義，可為今后無線傳感器網絡在青藏鐵路凍土監測方面大規模的應用積累經驗。

青藏鐵路是世界工程建設史上的一個偉大創舉，但由于青藏鐵路主要路段鋪設在生態環境脆弱的青藏高原，并且其中長達632 km的路基位于多年凍土區（大片連續多年凍土區長度約550 km，島狀不連續多年凍土區長度82 km），所以由鐵路運輸帶來的人類活動對高原環境（包括對凍土層）的影響成為了全世界關注的問題，而由此引起的凍土層變化對路基穩定性和鐵路安全性的影響也成為各方面研究的重點［1］。因此，有必要在青藏鐵路所處的高原高寒、氣候惡劣、人煙稀少、交通不便的多年凍土區建立具備數據自動采集、自動傳輸、自動分析處理功能的無人值守長期監測系統，對凍土狀態數據（如凍土表面和內層的溫濕度、淺層地表溫度、活動層熱狀況、水分動態變化等）進行長期、連續地采集。只有在該類監測系統支持下對凍土變化進行長期不間斷和大范圍地數據采集與監控，才能分析和評估青藏鐵路的運輸安全、環境保護問題。但在長達632 km的高原高寒多年凍土路段建立多測點、長距離、長期的自動監測系統是亟待解決的重要技術難題。

青藏高原多年凍土區大多屬高溫凍土，年平均氣溫高，凍土厚度較薄，熱穩定性差，對環境熱狀態變化的敏感性大，極易受工程的影響產生融化下沉［2］。隨著全球氣溫逐步上升，鐵路工程必定擾動凍土表面和路基的穩定性，也難以消除對沿線凍土環境引起的負面作用，突出表現為改變凍土區域表面環境，干擾、破壞凍土層水熱狀態，造成路基冷凍膨脹變形和受熱融化沉陷等現象，給列車安全行駛帶來嚴重威脅。凍土退化所引起的凍土環境變化不僅僅局限于凍土層內，更明顯地表現為對周邊環境的不利影響。凍土退化使其削弱甚至失去涵養水源的能力，依附于凍土層表面、提供高原植物生命源泉的凍結層地下水水位連續降低，甚至可能不復存在，因此可引發高寒草地的退化，在青藏高原劇烈的溫差環境條件下，更進一步導致土地荒漠化、沙漠化、鹽漬化加劇。同時，凍土退化導致植物數量、種類和覆蓋率下降，使田鼠等食草性動物大量繁殖，加劇了草原退化和青藏高原生態環境的惡性循環。有關專家指出，凍土退化引發的水環境變異和沼澤濕地等結構的改變將影響到熱量平衡和輻射平衡的變化，很可能會造成青藏高原氣候惡化，同時影響到青藏鐵路的安全［3］。

青藏鐵路的成功建設標志著中國是繼俄羅斯之后世界上第2個掌握凍土工程施工的國家。但高原凍土狀態的穩定性易受氣候和鐵路運營影響［4］，出于鐵路運輸安全考慮，必須實時、精確、全方位監控青藏鐵路凍土區域。長期積累的觀測數據有利于正確評估青藏鐵路對生態環境的影響，并能有針對性地設計與實施環境保護方案和措施。此外，若WSN監控中心收到報警信息或從監控數據中發現凍土區存在險情，青藏鐵路管理中心可及時應對，通知現場工作人員或最近的值班人員做出應急處理，確保西藏運輸動脈——青藏鐵路的安全運營。

2　主要研究開發內容和應用場景

目前，使用無線化、智能化、數字化的無線傳感器網絡技術可對青藏鐵路沿線的某些凍土區域進行長期、連續的環境數據采集和監測。凍土狀態數據通過WSN進行采集和預處理，當溫度或濕度數值超過報警閾值時，節點自主發送報警信息給監控中心和值班人員，數據通過無線中繼和有線網絡傳輸到數千公里外的數據中心進行分類存儲和研究分析。基于所采集到的長期觀測數據，可研究和分析凍土退化與鐵路運輸活動以及季節變化等因素之間的相互作用關系［5］，同時通過互聯網，全世界對凍土問題感興趣的研究人員均可以共享這些數據和成果。因此，青藏鐵路凍土監控的無線傳感器網絡技術的主要研究開發內容包括：①青藏鐵路凍土監控的WSN的適用性調研和合理方案規劃；②基于WSN的青藏鐵路凍土監控示范系統的部署和創建；③凍土監測網絡節點的軟件設計和研發。

圖1是構建青藏鐵路凍土監控的WSN應用場景。在青藏鐵路沿線凍土區域部署大量隨網絡拓撲結構改變而動態調整區域監控網絡的WSN節點。根據這種結構，一個WSN由數個簇（cluster）組成，簇由一定數量的節點組成。簇內的節點分為多個普通節點和一個簇首（cluster header）。分布于凍土層表面的普通節點自動采集地表溫濕度、光照強度等信息，分布于凍土層內層的普通節點自動采集凍土層內層不同深度的溫濕度信息。信息通過無線信道發送到簇首。類似于網關作用的簇首運用神經網絡方式計算出相應的數據索引（data index），并傳輸到匯聚節點（sink node）。匯聚節點將WSN連接到鐵路沿線已有的廣域網絡上，并最終通過廣域網實現與互聯網的聯接和通信。數據中心通過互聯網接收或查詢來自凍土區的WSN監測數據。最后在數據中心，使用專家系統對所采集的數據進行處理，分析凍土變化規律，評估、預測凍土狀態的發展趨勢。

圖1　青藏鐵路凍土監測的WSN應用場景

3　節點硬件設計

無線傳感器網絡節點分成3類：匯聚節點、簇頭節點和傳感器節點。無線傳感網絡的匯聚節點、簇頭節點主要完成數據發送、接收功能，所以WSN節點包含無線通信模塊和微處理模塊等器件。傳感器節點主要采集青藏鐵路凍土區域表面信息（光照強度、溫濕度）和內層中的信息（溫濕度），經過模數轉換和處理器處理后，通過射頻模塊傳輸至鄰接點。此鄰接點將收到的數據進行轉發，即把鄰接點傳輸的信息傳輸至距簇首節點更近的節點或簇首節點［6］，再把數據傳輸至匯聚節點。節點系統結構分成4個模塊（如圖2所示），其中：供電模塊保證節點有效使用期限長、集成化程度高，所以電池具備容量大、體積小的特點；無線傳輸模塊確保相隔很近的節點間維持通信且耗能少；數據采集模塊負責采集凍土層表面溫濕度和光照強度以及凍土層內層中的溫濕度信息；數據處理模塊分析、處理和存儲通過I2C方式傳輸的傳感器采集信息。節點硬件設計要點是采用低功耗的單片機MSP430F1611和微型傳感器，它們可實時地采集、處理凍土區域表層的溫濕度、光照強度參數，以及凍土內層的溫濕度參數。

圖2　節點硬件結構

3.1數據采集模塊

數據采集模塊通過溫濕度傳感器采集青藏鐵路凍土區域表面和內層的溫濕度信息，通過光照強度傳感器采集青藏鐵路凍土區域表面的光照強度信息，通過模數轉換將采集到的模擬信號轉換為數字信號，然后傳輸至數據處理模塊進行處理。

3.1.1節點溫濕度傳感器

青藏鐵路凍土區域表面和內層的溫濕度測量采用數字式顯示傳感器SHTll，它具有I2C總線接口，且單片全校準功能的實現是基于二線串行接口結構，一體化集成濕度和溫度測量。圖3為SHTll和微處理器的引腳連線。時鐘線（SCK）和數據線（DATA）通過引出兩條I/O端口線實現，GND和VDD端連接1只去耦電容的兩極，DATA端口連接1只上拉電阻的一端。通過相關軟件設計可以實現數據采集和傳送。

圖3　SHT11和微處理器的引腳連線

3.1.2節點光照強度傳感器

選用TSL230B光照強度傳感器測量青藏鐵路凍土區域表面的光照輻射強度。此傳感器主要組成部分為LinCMOS電流頻率集成轉換器，可以轉換高分辨率的光照頻率，且無需借助任何外接器件。光照強度是TSL230B方波或三角波的頻率輸出的唯一決定因子。TSL230B具有與微處理器直接相連（圖4為它們的連線方式）和分辨率高的特點。此光強傳感器的靈敏度控制端是S1、S0端口，分頻系數選擇端為S3、S2端口，信號輸出端是OUT端口。單片機獲得輸入信號時，通過計數算出兩次獲得的信號數值差，由此可算出頻率輸出值，并根據頻率輸出值-光照強度關系轉換表最終得出計量單位為W/cm2的光照強度。

圖4　TSL230B和微處理器引腳連線

3.2節點微控制器模塊

節點的控制中心是微控制器，其性能對整個節點的性能起到決定性作用。系統選用16bitRISC混合信號處理器MSP430F1611。此芯片具有精度高、集成度高、功耗非常低的特點，在1.5～3.5 V都能正常工作［7-8］，活動模式工作電流為325μA，休眠模式電流為1.1μA，關閉狀態電流為0.2 μA。該芯片外設具有2路12 bit的數模轉換器和8路12bit的模數轉換器，使得系統的硬件設計得到簡化，性價比獲得很大提升。系統包含3個時鐘信號：DCO、低頻時鐘和高頻時鐘各1個。時鐘可以根據具體需要靈活選擇，保證整個系統工作于最合理的時鐘頻率。該芯片外圍接口包括I2C接口、SPI接口和標準串口，便于多種設備連接。MSP430F1611內部存儲空間充足，包括容量為50 kB的Flash和容量為10 kB的RAM，為軟件協議的正常化運行、便捷設計和實現提供了保障。系統還具備中斷激活特性，通過中斷可使單片機從Sleep模式喚醒為Active模式，極大節約了節點的能耗，對青藏鐵路無線傳感器網絡節點的設計具有很強的適應性。

3.3節點射頻通信模塊

本系統基于節點節能和延長有效壽命的原則，選擇CC2420射頻芯片。青藏鐵路凍土監測的無線傳感器網絡中，MSP430F1611工作模式為主機模式，CC2420工作模式為從機模式，緩沖器內的信息讀寫和CC2420寄存器參數設置均通過SPI接口實現。圖5是具體的引腳連線。CC2420特點如下：采用有源RF發送、接收信息；工作頻段是2.4 GHz；支持IEEE802.15.4協議；可實時監控電池電量；采用直接序列擴頻技術；發送、接收信息的速率都可達250 kb/s；具有128字節的數據緩沖區；發射功率可編程調節［9-11］；發送、接收信息的工作電流各低至17.5 mA和18.5 mA，能耗少；可選擇外部或內部電壓調節器，兩者調節的電壓分別為1.5～2.0 V和2.0～3.5 V，電源電壓低；通過四線SPI總線（CSn、SCLK、SO和SI）實現狀態寄存器和緩存信息的讀/寫；可進行CC2420的工作模式設定等。

圖5　CC2420和MCU引腳連線

3.4節點供電模塊

結合青藏鐵路沿線環境極端、某些路段或某些時間段無人值守，以及節點沿鐵軌分布的實際情況，需要盡量減少網絡拓撲結構的動態調整次數，同時為利用西藏日照時間長且強度大的太陽能資源，凍土層表面傳感器節點采用太陽能和電池雙供電系統。在挑選電子原件時，系統從盡量減少能耗的角度出發，將各模塊的工作電壓控制在2.5～3.5 V的低水平范圍內。所以，凍土層表面傳感器節點白天啟用太陽能供電系統，夜間切換至電池供電系統，如果是兩節5AA的電池，電池容量為1.5 A/h，夜間每隔1 min測量1次溫濕度和光照強度，再考慮少量的能量損耗，可計算出凍土層表面傳感器節點供電時限最短為1年。

3.5節點硬件結構設計核心

青藏鐵路無線傳感器凍土監控網絡的高原環境要求節點體積盡量小，所以選擇的電子元件在同類型中是最小的。然而在電路板布線設計時，若節點體積超過限度，太近的線路可能導致干擾產生，因此節點設計的關鍵在于抗干擾設計。節點電路板可設計成4層結構，CC2420底部接地層通過多個過孔實現，沒有布線之處敷銅且接地，與器件近距離地放置濾波電容。與此同時，出于盡量降低電磁干擾的目的，最好隔離模擬電源和數字電源，一般可采用0Ω磁珠或者電阻來進行隔離。應盡量避開樹木和隧道墻壁進行節點布設，以減少樹木和隧道墻壁對電磁波的吸收，提高數據傳輸的準確性和穩定性。

4　節點軟件設計

基于OSI（open system interconnection model）模型設計了通信協議，從監控節點易于設計、開發的角度出發，選用ZigBee協議棧（Z-Stack）的通用型結構。ZigBee聯盟制定的ZigBee協議主要應用于低成本、低能耗設備的短距離、低速的無線互連通信，其優點與青藏鐵路凍土監測的無線傳感器網絡的要求相符。ZigBee聯盟提供了網絡層、安全層和應用程序接口的架構設計，其中應用程序接口的框架包括了ZigBee設備對象、應用支持子層等。IEEE802.15.4適用于OSI模型倒數第二層的媒質訪問控制（MAC：Medium Access Control）子層和底層的物理層（PHY：Physical Layer）。圖6為Z-Stack模型結構，含有管理服務和數據服務的服務接入點以便讓相鄰層級之間連通。通過對應的服務原語，每個層級能夠服務于其鄰接層。

圖6　節點ZigBee協議棧結構

圖7為節點工作流程。Z-Stack采用事件輪循機制極大地減少了系統的能耗，延長了節點有效壽命。各模塊初始化后，系統進入低能耗掃描隧道的休眠模式，信號在事件發生時產生并通過信道傳播。系統掃描到信號后被喚醒，I/O中斷進行事件的響應處理，處理結束后重返初始的休眠模式［12-15］。假如若干事件同時發生，先進行優先級判斷，按照優先級等級對事件進行排序和響應處理。基于程序代碼的可移植性、可讀性、運行穩定性和高效性的設計原則，以IAR Workbench V4.30作為軟件開發平臺，選用C語言編程。

圖7　節點工作流程

5　結束語

通過在凍土地帶所建立的自動數據采集監測系統，將能夠進行實時不間斷的數據采集和處理，分析凍土隨溫度變化而發生的變化，從而減少這種變化對青藏鐵路帶來的危害以及全球氣候變暖對青藏高原環境的進一步影響，同時對凍土變化引起的鐵軌變形等危情做出預警。這樣，對于因交通流量和工程活動引起的凍土和地表環境的變化，以及由于凍土層的變化而引起的鐵路路基和軌道的變化［16-17］，無線傳感器網絡將提供一種全新的監控手段，對青藏鐵路的安全運行提供強有力的保障。無線傳感器網絡在青藏鐵路上的成功應用將對我國各高寒地區凍土監測起到重要的示范作用和影響。進一步地，如果在面向特定環境監測應用的無線傳感器網絡基礎上建立環境監測評估體系，將具有信息準確而全面、反饋周期短、時效性強、精度高的特點，可在我國環境監測領域產生巨大的推動作用，其經濟和社會效益不可估量。現階段無線傳感器網絡還未形成大規模的市場應用，仍處于實驗室階段。青藏鐵路凍土監測的無線傳感器網絡為開展這一領域的應用研究和產業化發展提供了良好的試驗環境和機遇，有利于西藏在該領域的產業化發展中占據領導地位。

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（責任編輯楊黎麗）

Application Research of W ireless Sensor Networks in A rea of Qinghai-Tibet Railway Perm afrost M onitoring

TANG Song，NIMA Zha-xi，GAO Ding-guo
（Institute of Technology，Tibet University，Lhasa 850000，China）

The necessity to carry out the applied research of wireless sensor networks in permafrost monitoring areas of Qinghai-Tibet railway was discussed，and the primary research and development content，application scenarios，the node hardware design and software design of Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoringwireless sensor networkswere proposed.Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoringwireless sensor networks have the features of economic，efficient，real-time，convenientand energy-saving，which can effectively promote the deployment and establishment of the demonstration systems ofwireless sensor networks permafrostmonitoring.

wireless sensor networks；Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoring；node；demonstration systems

TP212

A

1674-8425（2015）05-0112-07

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.020

2014-12-25

國家自然科學基金資助項目（61331013）；計算機及藏文信息技術國家級教學團隊項目

唐松（1985—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事網絡與信息安全研究；尼瑪扎西（1964—），男（藏族），西藏山南人，教授，主要從事網絡與信息安全、藏文信息處理技術研究。

唐松，尼瑪扎西，高定國.無線傳感器網絡在青藏鐵路凍土監測領域的應用［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2015（5）：112-118.

format：TANG Song，NIMA Zha-xi，GAO Ding-guo.Application Research ofWireless Sensor Networks in Area of Qinghai-Tibet Railway Permafrost Monitoring［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：112-118.