滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網絡設計

引言

無線傳感器網絡誕生于20世紀70年代，經過30多年的發(fā)展，無線傳感器網絡的應用逐漸轉向民用，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，都已經出現(xiàn)了它的身影。無線傳感器網絡(WirelessSensorNetwork，WSN)系統(tǒng)在當前備受關注，綜合了傳感器技術、現(xiàn)代網絡技術及無線通信技術、分布式信息處理技術等。它是一種全新的信息獲取技術，可實時采集監(jiān)測區(qū)域內各對象的檢測參數，并將這些數據發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點，實現(xiàn)復雜監(jiān)測區(qū)的目標檢測與跟蹤，并能夠快速組網，而且擁有很強的抗毀性，因此其應用前景非常廣泛。

1傳輸系統(tǒng)工作原理

1.1無線傳感器網絡的網絡節(jié)點

無線傳感器網絡中數以千計的傳感器節(jié)點被散布到監(jiān)測區(qū)域內，節(jié)點相互之間以自組織的方式構成龐大的無線傳感器網絡。各節(jié)點之間通過協(xié)同去冗余的工作方式負責監(jiān)測區(qū)域內的數據采集任務，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，以進行數據處理或對節(jié)點進行實時的控制或操作。圖1所示是一個無線傳感器網絡的體系結構。

圖1  無線傳感器網絡體系結構

由于無線傳感器網絡所處環(huán)境的影響，節(jié)點一般都是采用能量有限的電池進行供電，所以其數據存儲和處理能力以及通信能力就會受到制約。從整個網絡來看，每個傳感器節(jié)點都具有網絡節(jié)點和路由的雙重“身份”，除了能完成數據采集和處理任務外，還能夠將其他節(jié)點轉發(fā)過來的數據信息進行存儲、融合等處理。

1.2無線傳感器的節(jié)點結構

作為網絡基本組成單元的無線傳感器節(jié)點結構如圖2所示，該結構也叫測試節(jié)點結構，主要由數據采集、處理、無線傳輸和電源四個部分組成。數據采集單元由各種傳感器對監(jiān)測區(qū)域內待測對象的信息進行采集；數據處理單元實現(xiàn)數據的存儲、處理分析等功能；無線傳輸模塊負責節(jié)點間的通信和數據傳輸；能量模塊負責對傳感器節(jié)點進行能量供應。當然，根據需要還會有其他擴展的功能模塊，如北斗傳輸模塊等。

1.3無線傳感器網絡的選擇

ZigBee無線傳感器網絡是基于IEEE802.15.4技術標準和ZigBee網絡協(xié)議而設計的無線數據傳輸網絡。傳輸距離為中短距離；傳輸速率低；通信可靠，采用碰撞避免機制，節(jié)點之間具有自動組網功能；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；大容量的網絡，整個網絡可達到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無線傳感器網絡由監(jiān)控機、網關、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點4部分組成，圖3所示是ZigBee網絡的組成。據此，用戶可以很方便地實現(xiàn)傳感器網絡的無線化和網絡化。

2無線傳感器系統(tǒng)硬件設計

2.1無線傳感器核心控制器選擇

本設計采用CC2530芯片作為數據采集模塊的處理器。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可達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芯片進行無線傳感器網絡的設計就相對簡單。

2.2網絡節(jié)點的硬件組成

2.2.1傳感器節(jié)點設計

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網關節(jié)點設計

網關節(jié)點的硬件結構示意圖如圖4所示，網關節(jié)點也是由CC2530芯片構成，通過RS232連接TSS-0-03嵌入式北斗模塊。另外，一個雨量計與網關節(jié)點連接，采集本地區(qū)的降雨量。網關節(jié)點將ZigBee網絡采集到的數據進行緩存，并且定期將數據通過北斗衛(wèi)星上傳到監(jiān)測中心，實現(xiàn)遠距離通信。

圖4  網關節(jié)點結構示意圖

2.2.3路由節(jié)點設計

路由節(jié)點的硬件設計和傳感器采集節(jié)點的結構差不多,只是沒有接傳感器，由電源、CC2530芯片和天線組成。在網關不能與所有的傳感器節(jié)點通信時，它作為一種中介使網關和傳感器節(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)點的數據傳輸到網關節(jié)點。當路由節(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)軟件設計

3.1網關節(jié)點程序設計

網關節(jié)點上電啟動后，首先進行初始化，并自動建立了一個新的網絡，這樣其他節(jié)點上電后就可以自動加入到這個網絡中。節(jié)點加入后給節(jié)點分配網絡地址，然后對連接的北斗模塊進行初始化。當收集到ZigBee網絡傳來的數據時進行ZigBee協(xié)議數據

解包放入緩存區(qū)，通過RS232傳送數據到北斗模塊，再由北斗

模塊發(fā)送至監(jiān)測中心。圖5所示是網關節(jié)點的程序流程。

圖5  網關節(jié)點程序流程圖

3.2采集節(jié)點程序設計

傳感器節(jié)點上電后，進行節(jié)點初始化并向網關節(jié)點發(fā)送入網請求，加入成功后，進入休眠狀態(tài)。按設定的時間對滑坡參數進行采集，然后向網關發(fā)送采集數據。也可以接收來自網關的命令，按照命令進行相應的動作。圖6為傳感器節(jié)點的程序流程。

4結語

本文對滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的Zigbee無線傳感器網絡提出了設計方案，研究了面向滑坡監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點，包括普通節(jié)點和網關節(jié)點，完成了滑坡參數的實時采集和傳輸，為推進我國滑坡監(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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