基于無線傳感器網絡的分布式電磁探測系統(tǒng)設計

1  引言

             
　　無線傳感器網絡(wireless sensor network，wsn)是一種由大量微小的集成有傳感器、數據處理單元和短距離無線通信模塊的節(jié)點組成的，能夠根據環(huán)境自主完成指定任務的智能網絡監(jiān)控系統(tǒng)。wsn不需要固定的網絡支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，可廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、農業(yè)養(yǎng)殖和其他商業(yè)領域，以及空間探索和搶險救災等特殊領域。
             
　　分布式電磁探測系統(tǒng)通過探測地下目標體的電性差異，分析異常分布規(guī)律來實現勘探目的。由于野外工作環(huán)境惡劣，溝塹河流阻斷，地形地貌復雜，一些區(qū)域勘探人員難于接近或逾越，采用傳統(tǒng)有線的連接方式不僅大大增加了工作量，也使一些區(qū)域因不能布線而無法勘探。因此采用無線傳感器網絡的方式構建分布式電磁探測系統(tǒng)具有較強的現實意義。
           
2  無線傳感器網絡分析
           
　　2.1 無線傳感器網絡硬件組成
             
　　傳感器網絡的硬件設計與組網方式與應用領域密切相關。典型無線傳感器網絡在硬件上主要有三部分組成，即傳感器節(jié)點、基站(又叫終端節(jié)點、匯聚節(jié)點)和任務管理平臺。其中傳感器節(jié)點是網絡的主要組成部分，具有網絡終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和簡單的數據處理，還要對其他節(jié)點轉發(fā)的數據進行存儲、管理和融合，它們大量分布在數據監(jiān)測區(qū)域，被監(jiān)測信號的物理形式決定傳感器節(jié)點類型；基站用來實現兩個通信網絡之間數據的交換，實現兩個協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換、管理節(jié)點，并把收集到的數據轉發(fā)到外部網絡上。任務管理平臺對整個網絡進行檢測、管理，并對數據進行處理，通常為運行管理軟件的pc機或者手持設備。典型的無線傳感器網路組成結構如圖1所示。

                                          
圖1 典型無線傳感器網絡組成結構

　　2.2  網絡協(xié)議
             
　　無線傳感器網絡通信協(xié)議棧主要包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。盡管目前很多研究人員已經為傳感器網絡的各層提出了一些解決方案，但總的來說還沒有形成被廣泛認可的標準。
             
　　ieee802.15.4標準是針對低速無線個人域網絡(personal area network，pan)的通信標準，把低功耗、低成本作為設計的主要目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速聯網提供統(tǒng)一標準。由于ieee802.15.4標準的網絡特征與無線傳感器網絡存在相似之處，很多研究機構把它作為無線傳感器網絡的通信標準[5]。

             
　　zigbee協(xié)議是zigbee企業(yè)聯盟基于802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準，它與802.15.4之間存在如下關系：
             
　　(1)zigbee完整、充分地利用了ieee802.15.4定義的功能強大的物理特性的優(yōu)點；
             
　　(2)zigbee增加了邏輯網絡和應用軟件；
             
　　(3)zigbee基于ieee802.15.4射頻標準，同時zigbee聯盟通過與ieee緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案；
             
　　(4)802.15.4工作組主要負責制定物理層(phy)和媒體訪問控制(mac)層標準，而zigbee負責網絡層和應用層的開發(fā)。
           
　　2.3  網絡層路由協(xié)議
             
　　協(xié)議是無線傳感器網路的靈魂，在不需其它網絡設備支持的情況下，它直接決定網絡的體系結構。從網絡層來看路由協(xié)議可以分為兩種結構類型[3]：平面型和層次型。
             
　　在平面型的路由協(xié)議中所有傳感結點的地位平等，協(xié)議制訂比較簡單，屬于對等網絡結構，網絡中不存在瓶頸，工作可靠，比較健壯。但是這種協(xié)議可擴充性差，每一個結點都需要知道到達其他所有結點的路由，維護這些動態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。
           
　　在層次型的路由協(xié)議中網絡以簇為單位劃分為簇頭和多個簇成員，簇頭結點負責簇間數據的轉發(fā)。簇頭可以預先指定，也可以由結點使用算法自動選舉產生。層次型結構的優(yōu)點是：簇成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息，減少了網絡中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性；由于簇頭結點可以隨時選舉產生，層次型結構也具有很強的健壯性。但是層次性結構的缺點也很明顯：維護分級結構需要結點執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭結點可能會成為網絡傳輸的瓶頸。
             
　　因此在設計網絡路由協(xié)議時，如果網絡的規(guī)模較小，可以采用簡單的平面式結構；而當網絡的規(guī)模增大時，應用層次結構。
           
3  分布式電磁探測系統(tǒng)設計
           
　　3.1硬件設計
             
　　本系統(tǒng)主要由子站、基站和管理平臺三部分組成。子站是一種嵌入式微處理器系統(tǒng)，用來完成各種電法測量的功能，如電阻率、激發(fā)極化電位ip(時域和頻域)、可控源音頻大地電磁csamt(標量、矢量、張量)等的測量，測量的參數主要有電場和磁場。子站采用msp430f1611作為微處理器，它是一款高性能的低功耗16為單片機，具有豐富的存儲資源和接口，易于集成外圍器件，子站作為無線傳感器網絡的節(jié)點，根據不同的測量功能布置在探測區(qū)域的各個測點上。采用高性能ieee802.15.4/zigbee兼容射頻芯片cc2420作為無線收發(fā)模塊，可以使設備與采用802.15.4標準的設備實現互連互通，可工作于2.4g 免授權頻段，支持16個最大傳輸速率為250kbps 的信道；同時采用了dsss技術，具有極強的抗干擾性；內置收發(fā)射頻開關，硬件mac加密(aes-128)，支持數字rssi/lqi，與處理器的接口較為簡單，在業(yè)界處于領先水平。子站的總體設計如圖2所示。

                                       
圖2 子站的總體設計框圖

　　基站實現網絡數據的交換，控制子站的數據采集和發(fā)送，并把數據發(fā)送到管理平臺，基站采用pc104嵌入式平臺設計，該平臺與ibm的pc機兼容，片上資源豐富，具有靈活的可擴展性，其小巧的尺寸非常適合嵌入式系統(tǒng)的應用，它在數據采集方面速度快、精度高，適合多種軟件開發(fā)環(huán)境的運行，符合本系統(tǒng)的設計要求。基站的總體設計圖3所示。

                                    
圖3 基站總體設計框圖

　　在野外勘探作業(yè)中可以用一臺筆記本電腦作為上位機，起任務管理平臺的作用，上位機通過向基站發(fā)命令信息對網絡進行組建、管理和檢測，控制系統(tǒng)的運行，并對采集的數據進行實時處理?？紤]到分布式電磁探測系統(tǒng)的網絡組建并不復雜，測量網絡可以采用星型的平面結構，但要保證可靠性；為了保證遠點數據的傳輸必須考慮多跳路由的問題，這是路由協(xié)議設計時的一個關鍵要素。
           
　　3.2 網絡層路由協(xié)議設計
             
　　在電磁勘探領域，由于數據量小、通信距離近、實時性及數據傳輸速率要求不高，采用zigbee標準進行通信是比較恰當的選擇。
             
　　在本系統(tǒng)中由于節(jié)點是同構的，在路由協(xié)議設計上帶來方便，可以主要考慮了如下因素[6]：
             
　　(1)拓撲結構：網絡拓撲結構分為固定拓撲和自組織拓撲兩種配置方式。對于固定的傳感器節(jié)點，可采用手動配置節(jié)點，預先設置數據傳送路徑。而更靈活的傳感器網絡采用自組織拓撲方式，傳感器節(jié)點間通過通信協(xié)議組織。本系統(tǒng)采用自組織的拓撲方式。
             
　　(2)數據傳送模式：數據發(fā)送模式可分為連續(xù)模式、事件驅動模式、查詢驅動模式和混合模式。如緊急預防系統(tǒng)當監(jiān)測到緊急情況時，必須主動發(fā)送事件至管理平臺。某些應用則是需要數據時，由觀察節(jié)點發(fā)送事件給傳感器網絡系統(tǒng)，系統(tǒng)由事件驅動返回數據。這里采用了事件驅動模式。
             
　　(3)路由選擇：路由選擇標準有最少使用次數、最大能量、最短距離等。根據節(jié)點距離標準，有多跳和單跳路由，無線射頻的發(fā)送能量與距離的平方成正比，多跳路由的能源消耗比單跳路由少，但是多跳路由在拓撲管理和鏈路連接上開銷較大。在分布式電磁探測系統(tǒng)中由于不同的勘探方法使測區(qū)范圍變化較大，數據質量要求較高，采用多跳路由。
             
　　為此，在本系統(tǒng)中根據無線射頻芯片提供的編程接口設計了三種通信協(xié)議幀：命令幀、配置幀、數據幀。幀格式如圖4下所示。

                                  
圖4    幀格式

　　各字段含義如下：
             
　　類型表明數據包為哪種幀，一個字節(jié)長度。
             
　　廣播字段表示該幀是否為廣播幀或是點對點幀，占一個bit位。
            
　　 源地址表示該幀來自的節(jié)點，其值為該節(jié)點的序號，一個字節(jié)長度。
             
　　目的地址表示該幀發(fā)送的目的節(jié)點，一個字節(jié)長度。
             
　　長度表示該幀的總長度，占兩個字節(jié)。
             
　　時間戳表示該幀的發(fā)送時間，兩字節(jié)長度。
             
　　校驗和表示該幀的校驗和，用于每個字節(jié)的奇偶校驗，一個字節(jié)長度。
             
　　數據部分根據幀類型不同內容、長度有較大差別。
             
　　在上位機、節(jié)點的軟件編程中，為方便幀數據包的表示，把它定義為結構體數據類型，數據成員的賦值和解析由軟件完成。

           
　　3.3軟件設計
             
　　(1)通信機制。本系統(tǒng)中上位機通過rs-232總線經電平轉換與基站rs-485總線直接連接進行通信，因為是有線連接而且距離較近，受外界影響較小，所以通信速率可以較大，數據包可以較長；對于無線通信來說，通信距離越大、數據包越長、通信速率越高受干擾的可能性就越大，所以子站節(jié)點、路由節(jié)點與基站之間的通信數據包不應太大，速率也不應過高。數據的傳輸速率、通信的方式(如停止位、起始位等)等由軟件控制。
             
　　(2)子站程序設計。子站程序負責采集傳感器數據并做簡單的處理，根據需要將這些數據傳送給基站；同時，接收來自基站節(jié)點的數據并根據這些數據完成相關操作。作為嵌入式處理設備，程序預先下載到單片機里面，上電即開始循環(huán)運行。當沒有數據發(fā)送接收時，轉入休眠模式，節(jié)點功耗降到最低。軟件流程如圖5所示。

                                 
圖5 傳感器節(jié)點軟件流程

　　(3)基站程序設計。基站程序的功能主要是接收上位機命令參數，調用不同的子程序實現網絡的組建、完成不同協(xié)議間的數據格式轉換，進行數據轉發(fā)；對子站節(jié)點發(fā)布命令信息，啟動子站執(zhí)行探測任務，進行數據采集；讀取子站數據，按要求把數據發(fā)送到上位機。如圖6所示。
 

                                
圖6 sink節(jié)點軟件流程圖

　　(4)位機程序設計。上位機程序主要向基站發(fā)送一些約定的命令參數來實現分布式探測網絡的管理和控制，并通過數據分析軟件實現對數據的實時處理。

           
4  應用實例
            　
　　激發(fā)極化法是電法勘探的一組重要分支方法，主要用來勘查各類金屬礦產，特別是對電阻率與圍巖差別不大的侵染型金屬礦而言，比電阻率法和電磁法更為有效[4]。本系統(tǒng)利用激發(fā)極化法(時間域的)對已知的目標體進行探測，并與在同一條件下用美國zonge公司的gdp-32ⅱ多功能電法儀測量結果進行比對，測量曲線對比圖參見圖7所示。實驗的主要設計如下：

　　探測方法：時域激發(fā)極化法；
            　
　　測量參數：一次電位δu1、二次電位δu2；
            　
　　計算參數：視極化率ρ，ρ=δu1/δu2×100%；
            　
　　測量方式：主剖面法；
            　
　　裝置類型：偶極－偶極。

 圖7 測量對比圖

5  結束語
            　
　　本文把無線傳感器網絡的理論要點和關鍵技術應用于分布式電磁探測系統(tǒng)的組網中，在程序中控制組網方式和各種數據交互功能。通過無線數據傳輸有效解決電磁勘探工作野外實驗布線難的問題，提高了野外工作效率。目前還沒有看到國內有關多功能電法儀器利用無線網絡方式進行地質探測的應用。
            　
　　分布式電磁探測系統(tǒng)具有多種測量功能，在一些復雜的電磁測量中(如csamt)，由于探測區(qū)域大、測點多、影響因素難于估計，所以對網絡組建和管理的要求會更高，需要對無線傳感器網絡的理論和技術進一步深入研究，在相應軟件設計上還要做大量工作。