基于IPv6的無(wú)線(xiàn)高原凍土監測系統

GPRS與IPv6無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換主要實(shí)現IPv6數據報文與GPRS報文雙向轉換。圖6為GPRS報文與IPv6報文的轉換過(guò)程。PAYLOAD為報文中的有效數據載荷。當無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)射頻部分(PHY層)接收到數據報文，根據IPv6通信協(xié)議從PHY到IPv6幀頭解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP(UDP)／IP的報文格式交由滿(mǎn)足GPRS通信協(xié)議的終端設備處理，從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)接收到的信息到GPRS網(wǎng)絡(luò )的傳輸。
3．4 針對嚴酷環(huán)境的硬件設計
雷電是自然電磁干擾源中最強的一種，雷電侵害和電磁干擾往往是多方位、多渠道的。早期的電氣設備大多具有結構簡(jiǎn)單、體積大、絕緣水平相對較高等特點(diǎn)；處在強電磁場(chǎng)環(huán)境中，雖然也會(huì )受到電磁干擾，但由于其本身傳遞的信號較強，電磁兼容性問(wèn)題也并不十分突出。因此如何防止雷電中電磁脈沖對節點(diǎn)的元器件本身和元器件之間的信號的影響是當今社會(huì )的研究熱點(diǎn)。
為此，我們采用以下幾點(diǎn)方法來(lái)降低節點(diǎn)對印制板電路上的電磁干擾。
①在器件的每個(gè)電源引腳處放置0．1μF和1．0μF的去耦電容，盡可能地靠近芯片；在整個(gè)系統的電源入口處放置100μF的大容量去耦濾波電容。
②將PCB板上不使用的空間接地，即所謂的大面積覆銅。
③外部晶振離元器件外部振蕩器引腳盡量地近。
④使用最短的連線(xiàn)以避免產(chǎn)生“天線(xiàn)”。
⑤使用一個(gè)1～4．7 kΩ的電阻將／RST拉為高電平。在／RST走線(xiàn)和地之間設一個(gè)0．1ΩF的去耦電容。
⑥將TMS、TCK、TDI引腳接固定電平。
⑦連接至系統電纜或其他電路板上的信號時(shí)應在PCB的連接點(diǎn)處適當地濾波。
經(jīng)過(guò)以上處理后能夠將外部電磁環(huán)境對器件的影響降低到最小。
3．4．1 對高低溫環(huán)境的處理辦法
青藏高原夏季往往有強烈的高溫出現，這樣的高溫往往會(huì )使微電子系統的性能下降，甚至于會(huì )使系統崩潰。
為了解決高溫的問(wèn)題，首先在系統中采用散熱片和智能降溫風(fēng)扇相結合的方式。高溫環(huán)境一般出現在夏季白天。在這種環(huán)境下通常陽(yáng)光充足，太陽(yáng)能電池板輸出電流較大。利用系統自帶的溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，設定一定的溫度閥值，當系統溫度低于該溫度采用散熱片散熱，當系統溫度超過(guò)預設溫度時(shí)，打開(kāi)降溫風(fēng)扇對系統進(jìn)行降溫。
青藏高原最低月平均溫度在-15～-10℃之間，因此，必須采用特殊手段才能解決節點(diǎn)在如此低溫的條件下的運行問(wèn)題。為此設計了一種可以通過(guò)MCU控制的智能加熱系統。將銅質(zhì)加熱器通過(guò)銅質(zhì)熱管嵌入鋁制散熱器，在低溫時(shí)鋁制散熱器上的風(fēng)扇不工作，此時(shí)鋁制散熱器充當加熱片的功能，將銅質(zhì)加熱器的熱量均勻的分散到各IC上。銅質(zhì)加熱器通過(guò)MCU控制，當MCU檢查到系統工作環(huán)境溫度低于設定閥值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟加熱器。
3．4．2 對潮濕環(huán)境的處理辦法
在運行過(guò)程中，過(guò)多的水分會(huì )造成電路短路燒毀的危險，因此我們針對潮濕環(huán)境對系統做了特殊處理。具體的處理辦法是為PCB涂上一層三防漆。其特點(diǎn)為：
①固化速度快，對各種電路板有良好的附著(zhù)力。
②三防漆具有良好的耐高低溫性能；其固化后成一層透明保護膜，具有優(yōu)越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防鹽霧、防霉、防老化、耐電暈等性能。
最后，通過(guò)設計穩定的外部封裝盒來(lái)防止開(kāi)放環(huán)境中的大風(fēng)，大雨等惡劣天氣對系統的影響。
3．5 監控中心設計
監控中心的主要功能是對數據匯聚節點(diǎn)上傳的數據進(jìn)行分析、管理和展示。
3．5．1 數據功能
監控中心監控的匯聚節點(diǎn)很多，對每種傳感器上傳的數據都必須使用不同的公式來(lái)進(jìn)行物理量的反演。同類(lèi)傳感器中的不同個(gè)體也存在差異，監控中心需要針對不同的傳感器個(gè)體設置不同的校正系數。由于涉及大量數據，需使用SQL Server對傳感器數據進(jìn)行管理。監控中心所檢測的區域十分龐大，用直觀(guān)的呈現方式將每個(gè)傳感器節點(diǎn)在地圖上進(jìn)行標注，使用戶(hù)在選擇數據的同時(shí)只需選擇自己傳感器節點(diǎn)所在的位置即可。在此選擇Map Server開(kāi)源的地理信息系統(GIS)，能將數據和地圖相結合，并將結果上傳互聯(lián)網(wǎng)。
3．5．2 控制功能
監控中心除了能夠對數據進(jìn)行一系列操作以外，還能夠實(shí)現對匯聚節點(diǎn)的控制和對用戶(hù)的通知。監控中心中的GSM／GPRS Modem在實(shí)現GPRS網(wǎng)絡(luò )數據傳輸的同時(shí)，還能實(shí)現短信(SMS)的收發(fā)，并通過(guò)短信將命令發(fā)送給匯聚節點(diǎn)。匯聚節點(diǎn)對命令進(jìn)行解析后，針對不同的命令做出不同的響應。

結語(yǔ)
本文設計一種基于IPv6的無(wú)線(xiàn)高原凍土監測系統。通過(guò)現場(chǎng)調試，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)能夠精確地采集溫度、濕度、二氧化碳、氮氣的物理值，并且實(shí)現了基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò )，各傳感器節點(diǎn)能夠將數據準確無(wú)誤地傳輸給匯聚節點(diǎn)。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )，匯聚節點(diǎn)能夠將融合后的數據實(shí)時(shí)地傳送給監控中心，監控中心將數據解析后利用GIS系統展示，并且還能利用短信系統對匯聚節點(diǎn)進(jìn)行控制，以更好地指導環(huán)境保護和建設工作。