無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)在地質災害監(jiān)測中的應用

　　近年來我國地質災害的發(fā)生頻率越來越高，由此造成的損失也逐年加劇，對地質災害進行監(jiān)測的儀器研制工作就顯得非常重要。目前已經(jīng)研制并應用的監(jiān)測儀器主要是通過線纜連接前端的傳感器，這種方式的主要缺點是架線比較困難、同時連接的傳感器數(shù)量有限，不適合地形復雜、要求監(jiān)測點多的地質環(huán)境。本文提出的無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)，針對地質災害監(jiān)測的應用環(huán)境，在物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4協(xié)議，在網(wǎng)絡層采用了ZigBee協(xié)議，進行了降低功耗和簡化路由算法的工作，有效的增加了傳感器數(shù)量，相對于有線方式具有很大的優(yōu)越性。

　　無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)

　　無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、基站節(jié)點、監(jiān)控中心組成。傳感器節(jié)點都具有路由功能，它們與基站節(jié)點按照簇樹的分層結構自治地組成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點對災害體變形位移量等進行采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，沿著自身優(yōu)化的路由算法路徑傳送到基站節(jié)點，基站節(jié)點匯聚各個傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)融合，通過GPRS網(wǎng)絡最終到達監(jiān)控中心，無線網(wǎng)絡傳感器體系結構如圖1所示。

　　傳感器節(jié)點受到存儲容量有限、計算能力有限、電源能量有限等諸多條件的限制;基站節(jié)點連接傳感器網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡，負責不同協(xié)議之間的轉換和數(shù)據(jù)融合工作，實質上起到了一個網(wǎng)關的作用;監(jiān)控中心對整個網(wǎng)絡進行管理，獲取監(jiān)測區(qū)域的多種災害體實時信息。

　　硬件系統(tǒng)設計

　　本系統(tǒng)硬件部分包括傳感器節(jié)點和基站節(jié)點，由于功能不同，它們的硬件結構是有區(qū)別的。

　　傳感器節(jié)點

　　傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集處理單元、無線通信單元與供電單元構成，硬件原理框圖如圖2所示，位移傳感器采用了高精度的線性電阻，可以保持1mm的測量精度;數(shù)據(jù)采集處理單元選用了Atmel公司的ATmegal1281處理器，它具有功耗低和集成度高的特點，內(nèi)置AD轉換器，完成數(shù)據(jù)采集的工作。

　　無線通信單元采用了Atmel公司的AT86RF212芯片，它工作在780MHz(IEEE 802.15.4C)的中國WPAN頻段，適用于IEEE 802.15.4與Zigbee標準，支持IEEE 802.15.4、Zigbee協(xié)議棧，接收靈敏度可達-110dBm，AT86RF212的外圍電路如圖3所示。ATmegal1281通過SPI接口與AT86RF212相連，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與命令的接收任務。

　　供電單元依靠外部的3.6V鋰電池為以上的各個部分提供電源，數(shù)據(jù)采集處理單元和無線通信單元需要3.3V供電，可以直接通過電池提供;位移傳感器需要5V供電，需要通過DC-DC模塊把3.3V升壓為5V。考慮到節(jié)能需要，只是在采集的時間點給傳感器供電，在睡眠期通過MOSFET模塊把這部分供電切斷以節(jié)約電池的電量。

　　基站節(jié)點

　　基站節(jié)點不需要具有數(shù)據(jù)采集的功能，但是需要連接傳感器網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡，負責接收監(jiān)控中心下發(fā)的命令(定時采集間隔等)、接收傳感器節(jié)點的請求與數(shù)據(jù)，具有網(wǎng)絡協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)融合、下發(fā)命令、上傳數(shù)據(jù)等功能。主要由處理單元、無線通信單元、GPRS單元、供電單元構成，硬件原理框圖如圖4所示，供電單元采用外部DC電源，以保證給基站節(jié)點的持續(xù)供電。