滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
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引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生于20世紀(jì)70年代,經(jīng)過30多年的發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向民用,在河流、森林的環(huán)境監(jiān)測中,在建筑環(huán)境的智能化應(yīng)用中,以及在一些無法放置有線傳感器的工業(yè)環(huán)境中,都已經(jīng)出現(xiàn)了它的身影。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)系統(tǒng)在當(dāng)前備受關(guān)注,綜合了傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。它是一種全新的信息獲取技術(shù),可實時采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各對象的檢測參數(shù),并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點,實現(xiàn)復(fù)雜監(jiān)測區(qū)的目標(biāo)檢測與跟蹤,并能夠快速組網(wǎng),而且擁有很強(qiáng)的抗毀性,因此其應(yīng)用前景非常廣泛。
1傳輸系統(tǒng)工作原理
1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)以千計的傳感器節(jié)點被散布到監(jiān)測區(qū)域內(nèi),節(jié)點相互之間以自組織的方式構(gòu)成龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點之間通過協(xié)同去冗余的工作方式負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集任務(wù),然后采用多跳、中繼等方式將信息傳送到匯聚節(jié)點處,再由匯聚節(jié)點將信息集中傳送至用戶,以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或?qū)?jié)點進(jìn)行實時的控制或操作。圖1所示是一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境的影響,節(jié)點一般都是采用能量有限的電池進(jìn)行供電,所以其數(shù)據(jù)存儲和處理能力以及通信能力就會受到制約。從整個網(wǎng)絡(luò)來看,每個傳感器節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路由的雙重“身份”,除了能完成數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)外,還能夠?qū)⑵渌?jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲、融合等處理。
1.2無線傳感器的節(jié)點結(jié)構(gòu)
作為網(wǎng)絡(luò)基本組成單元的無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示,該結(jié)構(gòu)也叫測試節(jié)點結(jié)構(gòu),主要由數(shù)據(jù)采集、處理、無線傳輸和電源四個部分組成。數(shù)據(jù)采集單元由各種傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對象的信息進(jìn)行采集;數(shù)據(jù)處理單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理分析等功能;無線傳輸模塊負(fù)責(zé)節(jié)點間的通信和數(shù)據(jù)傳輸;能量模塊負(fù)責(zé)對傳感器節(jié)點進(jìn)行能量供應(yīng)。當(dāng)然,根據(jù)需要還會有其他擴(kuò)展的功能模塊,如北斗傳輸模塊等。
1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的選擇
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳輸距離為中短距離;傳輸速率低;通信可靠,采用碰撞避免機(jī)制,節(jié)點之間具有自動組網(wǎng)功能;短的時延,只有15~30ms;免收專利費的ZigBee協(xié)議大大降低了開發(fā)成本;自配置、自組網(wǎng);大容量的網(wǎng)絡(luò),整個網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到64000個節(jié)點;通過工作和休眠模式實現(xiàn)長時間的監(jiān)測。
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控機(jī)、網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點4部分組成,圖3所示是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成。據(jù)此,用戶可以很方便地實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線化和網(wǎng)絡(luò)化。
2無線傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1無線傳感器核心控制器選擇
本設(shè)計采用CC2530芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊的處理器。CC2530的優(yōu)勢在于其集成度高,可支持多種不同應(yīng)用,價格低廉,支持多種協(xié)議,具有業(yè)界最佳的RF共存性以及選擇性,在最小化干擾源影響的同時最大化穩(wěn)健通信范圍。CC2530模塊可視通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)400m(實測)。
CC2530芯片是一種集成度較高的芯片,其外圍電路相對很簡單,最小系統(tǒng)所需器件很少,所以用CC2530芯片進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就相對簡單。
2.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件組成
2.2.1傳感器節(jié)點設(shè)計
每個傳感器節(jié)點包含孔隙水壓力傳感器、土壤水分傳感器與傾角傳感器元件、檢波器、CC2530無線傳感器處理收發(fā)模塊、接口處理采集板和電池組。
2.2.2網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計
網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,網(wǎng)關(guān)節(jié)點也是由CC2530芯片構(gòu)成,通過RS232連接TSS-0-03嵌入式北斗模塊。另外,一個雨量計與網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接,采集本地區(qū)的降雨量。網(wǎng)關(guān)節(jié)點將ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,并且定期將數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星上傳到監(jiān)測中心,實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。
圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖
2.2.3路由節(jié)點設(shè)計
路由節(jié)點的硬件設(shè)計和傳感器采集節(jié)點的結(jié)構(gòu)差不多,只是沒有接傳感器,由電源、CC2530芯片和天線組成。在網(wǎng)關(guān)不能與所有的傳感器節(jié)點通信時,它作為一種中介使網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點通信,實現(xiàn)路由通信功能。路由節(jié)點將來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點。當(dāng)路由節(jié)點由于電池耗盡或故障,或是有新節(jié)點加入時,路由節(jié)點將重新選擇路由鏈路。
3無線傳感器系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點程序設(shè)計
網(wǎng)關(guān)節(jié)點上電啟動后,首先進(jìn)行初始化,并自動建立了一個新的網(wǎng)絡(luò),這樣其他節(jié)點上電后就可以自動加入到這個網(wǎng)絡(luò)中。節(jié)點加入后給節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址,然后對連接的北斗模塊進(jìn)行初始化。當(dāng)收集到ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)時進(jìn)行ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)
解包放入緩存區(qū),通過RS232傳送數(shù)據(jù)到北斗模塊,再由北斗
模塊發(fā)送至監(jiān)測中心。圖5所示是網(wǎng)關(guān)節(jié)點的程序流程。
圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點程序流程圖
3.2采集節(jié)點程序設(shè)計
傳感器節(jié)點上電后,進(jìn)行節(jié)點初始化并向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求,加入成功后,進(jìn)入休眠狀態(tài)。按設(shè)定的時間對滑坡參數(shù)進(jìn)行采集,然后向網(wǎng)關(guān)發(fā)送采集數(shù)據(jù)。也可以接收來自網(wǎng)關(guān)的命令,按照命令進(jìn)行相應(yīng)的動作。圖6為傳感器節(jié)點的程序流程。
4結(jié)語
本文對滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了設(shè)計方案,研究了面向滑坡監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,包括普通節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點,完成了滑坡參數(shù)的實時采集和傳輸,為推進(jìn)我國滑坡監(jiān)測工作的信息化、自動化與智能化提供了一種有效的新思路。
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