無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感器系統在地質(zhì)災害監測中的應用

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

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感器系統

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感器系統由傳感器節點(diǎn)、基站節點(diǎn)、監控中心組成。傳感器節點(diǎn)都具有路由功能，它們與基站節點(diǎn)按照簇樹(shù)的分層結構自治地組成網(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)對災害體變形位移量等進(jìn)行采集，采集的數據經(jīng)過(guò)處理后，沿著(zhù)自身優(yōu)化的路由算法路徑傳送到基站節點(diǎn)，基站節點(diǎn)匯聚各個(gè)傳感器節點(diǎn)采集的數據并進(jìn)行數據融合，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )最終到達監控中心，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感器體系結構如圖1所示。

　　傳感器節點(diǎn)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;基站節點(diǎn)連接傳感器網(wǎng)絡(luò )和外部網(wǎng)絡(luò )，負責不同協(xié)議之間的轉換和數據融合工作，實(shí)質(zhì)上起到了一個(gè)網(wǎng)關(guān)的作用;監控中心對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理，獲取監測區域的多種災害體實(shí)時(shí)信息。

　　硬件系統設計

　　本系統硬件部分包括傳感器節點(diǎn)和基站節點(diǎn)，由于功能不同，它們的硬件結構是有區別的。

　　傳感器節點(diǎn)

　　傳感器節點(diǎn)由數據采集處理單元、無(wú)線(xiàn)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(xiàn)性電阻，可以保持1mm的測量精度;數據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(diǎn)，內置AD轉換器，完成數據采集的工作。

　　無(wú)線(xiàn)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(guò)SPI接口與AT86RF212相連，完成數據的發(fā)送與命令的接收任務(wù)。

　　供電單元依靠外部的3.6V鋰電池為以上的各個(gè)部分提供電源，數據采集處理單元和無(wú)線(xiàn)通信單元需要3.3V供電，可以直接通過(guò)電池提供;位移傳感器需要5V供電，需要通過(guò)DC-DC模塊把3.3V升壓為5V?？紤]到節能需要，只是在采集的時(shí)間點(diǎn)給傳感器供電，在睡眠期通過(guò)MOSFET模塊把這部分供電切斷以節約電池的電量。

　　基站節點(diǎn)

　　基站節點(diǎn)不需要具有數據采集的功能，但是需要連接傳感器網(wǎng)絡(luò )與GPRS網(wǎng)絡(luò )，負責接收監控中心下發(fā)的命令(定時(shí)采集間隔等)、接收傳感器節點(diǎn)的請求與數據，具有網(wǎng)絡(luò )協(xié)調、數據融合、下發(fā)命令、上傳數據等功能。主要由處理單元、無(wú)線(xiàn)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，以保證給基站節點(diǎn)的持續供電。