滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

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(cè)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(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各對(duì)象的檢測(cè)參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜監(jiān)測(cè)區(qū)的目標(biāo)檢測(cè)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(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)以千計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)被散布到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間通過協(xié)同去冗余的工作方式負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)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(diǎn)處，再由匯聚節(jié)點(diǎn)將信息集中傳送至用戶，以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或?qū)?jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制或操作。圖1所示是一個(gè)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(diǎn)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(chǔ)和處理能力以及通信能力就會(huì)受到制約。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)來看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、融合等處理。

1.2無線傳感器的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)也叫測(cè)試節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，主要由數(shù)據(jù)采集、處理、無線傳輸和電源四個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集單元由各種傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理分析等功能；無線傳輸模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的通信和數(shù)據(jù)傳輸；能量模塊負(fù)責(zé)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量供應(yīng)。當(dāng)然，根據(jù)需要還會(huì)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(jì)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(diǎn)之間具有自動(dòng)組網(wǎng)功能；短的時(shí)延，只有15~30ms；免收專利費(fèi)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(gè)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到64000個(gè)節(jié)點(diǎn)；通過工作和休眠模式實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。

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(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)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(jì)

2.1無線傳感器核心控制器選擇

本設(shè)計(jì)采用CC2530芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊的處理器。CC2530的優(yōu)勢(shì)在于其集成度高，可支持多種不同應(yīng)用，價(jià)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(shí)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(shí)測(cè)）。

CC2530芯片是一種集成度較高的芯片，其外圍電路相對(duì)很簡(jiǎn)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(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件組成

2.2.1傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(gè)雨量計(jì)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接，采集本地區(qū)的降雨量。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(cè)中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

圖4  網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和傳感器采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通信時(shí)，它作為一種中介使網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)路由通信功能。路由節(jié)點(diǎn)將來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)由于電池耗盡或故障,或是有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)將重新選擇路由鏈路。

3無線傳感器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化，并自動(dòng)建立了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，這樣其他節(jié)點(diǎn)上電后就可以自動(dòng)加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。節(jié)點(diǎn)加入后給節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，然后對(duì)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(shí)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(cè)中心。圖5所示是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的程序流程。

圖5  網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)初始化并向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，加入成功后，進(jìn)入休眠狀態(tài)。按設(shè)定的時(shí)間對(duì)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(dòng)作。圖6為傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程。

4結(jié)語

本文對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了設(shè)計(jì)方案，研究了面向滑坡監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括普通節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，完成了滑坡參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，為推進(jìn)我國(guó)滑坡監(jiān)測(cè)工作的信息化、自動(dòng)化與智能化提供了一種有效的新思路。

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