基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的分布式電磁探測系統設計

1 引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(wireless sensor network，wsn)是一種由大量微小的集成有傳感器、數據處理單元和短距離無(wú)線(xiàn)通信模塊的節點(diǎn)組成的，能夠根據環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能網(wǎng)絡(luò )監控系統。wsn不需要固定的網(wǎng)絡(luò )支持，具有快速展開(kāi)、抗毀性強等特點(diǎn)，可廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監測、醫療監護、農業(yè)養殖和其他商業(yè)領(lǐng)域，以及空間探索和搶險救災等特殊領(lǐng)域。

　　分布式電磁探測系統通過(guò)探測地下目標體的電性差異，分析異常分布規律來(lái)實(shí)現勘探目的。由于野外工作環(huán)境惡劣，溝塹河流阻斷，地形地貌復雜，一些區域勘探人員難于接近或逾越，采用傳統有線(xiàn)的連接方式不僅大大增加了工作量，也使一些區域因不能布線(xiàn)而無(wú)法勘探。因此采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的方式構建分布式電磁探測系統具有較強的現實(shí)意義。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )分析

　　2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件組成

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )的硬件設計與組網(wǎng)方式與應用領(lǐng)域密切相關(guān)。典型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在硬件上主要有三部分組成，即傳感器節點(diǎn)、基站(又叫終端節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn))和任務(wù)管理平臺。其中傳感器節點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )的主要組成部分，具有網(wǎng)絡(luò )終端和路由器雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和簡(jiǎn)單的數據處理，還要對其他節點(diǎn)轉發(fā)的數據進(jìn)行存儲、管理和融合，它們大量分布在數據監測區域，被監測信號的物理形式?jīng)Q定傳感器節點(diǎn)類(lèi)型；基站用來(lái)實(shí)現兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )之間數據的交換，實(shí)現兩個(gè)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換、管理節點(diǎn)，并把收集到的數據轉發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò )上。任務(wù)管理平臺對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行檢測、管理，并對數據進(jìn)行處理，通常為運行管理軟件的pc機或者手持設備。典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路組成結構如圖1所示。

圖1 典型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )組成結構

　　2.2 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議棧主要包括物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層。盡管目前很多研究人員已經(jīng)為傳感器網(wǎng)絡(luò )的各層提出了一些解決方案，但總的來(lái)說(shuō)還沒(méi)有形成被廣泛認可的標準。

　　ieee802.15.4標準是針對低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )(personal area network，pan)的通信標準，把低功耗、低成本作為設計的主要目標，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內不同設備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統一標準。由于ieee802.15.4標準的網(wǎng)絡(luò )特征與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )存在相似之處，很多研究機構把它作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信標準[5]。

　　zigbee協(xié)議是zigbee企業(yè)聯(lián)盟基于802.15.4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準，它與802.15.4之間存在如下關(guān)系：

　　(1)zigbee完整、充分地利用了ieee802.15.4定義的功能強大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)；

　　(2)zigbee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò )和應用軟件；

　　(3)zigbee基于ieee802.15.4射頻標準，同時(shí)zigbee聯(lián)盟通過(guò)與ieee緊密工作來(lái)確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案；

　　(4)802.15.4工作組主要負責制定物理層(phy)和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(mac)層標準，而zigbee負責網(wǎng)絡(luò )層和應用層的開(kāi)發(fā)。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò )層路由協(xié)議

　　協(xié)議是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路的靈魂，在不需其它網(wǎng)絡(luò )設備支持的情況下，它直接決定網(wǎng)絡(luò )的體系結構。從網(wǎng)絡(luò )層來(lái)看路由協(xié)議可以分為兩種結構類(lèi)型[3]：平面型和層次型。

　　在平面型的路由協(xié)議中所有傳感結點(diǎn)的地位平等，協(xié)議制訂比較簡(jiǎn)單，屬于對等網(wǎng)絡(luò )結構，網(wǎng)絡(luò )中不存在瓶頸，工作可靠，比較健壯。但是這種協(xié)議可擴充性差，每一個(gè)結點(diǎn)都需要知道到達其他所有結點(diǎn)的路由，維護這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。

　　在層次型的路由協(xié)議中網(wǎng)絡(luò )以簇為單位劃分為簇頭和多個(gè)簇成員，簇頭結點(diǎn)負責簇間數據的轉發(fā)。簇頭可以預先指定，也可以由結點(diǎn)使用算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。層次型結構的優(yōu)點(diǎn)是：簇成員的功能比較簡(jiǎn)單，不需要維護復雜的路由信息，減少了網(wǎng)絡(luò )中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性；由于簇頭結點(diǎn)可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，層次型結構也具有很強的健壯性。但是層次性結構的缺點(diǎn)也很明顯：維護分級結構需要結點(diǎn)執行簇頭選舉算法，簇頭結點(diǎn)可能會(huì )成為網(wǎng)絡(luò )傳輸的瓶頸。

　　因此在設計網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò )的規模較小，可以采用簡(jiǎn)單的平面式結構；而當網(wǎng)絡(luò )的規模增大時(shí)，應用層次結構。

3 分布式電磁探測系統設計

　　3.1硬件設計

　　本系統主要由子站、基站和管理平臺三部分組成。子站是一種嵌入式微處理器系統，用來(lái)完成各種電法測量的功能，如電阻率、激發(fā)極化電位ip(時(shí)域和頻域)、可控源音頻大地電磁csamt(標量、矢量、張量)等的測量，測量的參數主要有電場(chǎng)和磁場(chǎng)。子站采用msp430f1611作為微處理器，它是一款高性能的低功耗16為單片機，具有豐富的存儲資源和接口，易于集成外圍器件，子站作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)，根據不同的測量功能布置在探測區域的各個(gè)測點(diǎn)上。采用高性能ieee802.15.4/zigbee兼容射頻芯片cc2420作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，可以使設備與采用802.15.4標準的設備實(shí)現互連互通，可工作于2.4g 免授權頻段，支持16個(gè)最大傳輸速率為250kbps 的信道；同時(shí)采用了dsss技術(shù)，具有極強的抗干擾性；內置收發(fā)射頻開(kāi)關(guān)，硬件mac加密(aes-128)，支持數字rssi/lqi，與處理器的接口較為簡(jiǎn)單，在業(yè)界處于領(lǐng)先水平。子站的總體設計如圖2所示。

圖2 子站的總體設計框圖

　　基站實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的交換，控制子站的數據采集和發(fā)送，并把數據發(fā)送到管理平臺，基站采用pc104嵌入式平臺設計，該平臺與ibm的pc機兼容，片上資源豐富，具有靈活的可擴展性，其小巧的尺寸非常適合嵌入式系統的應用，它在數據采集方面速度快、精度高，適合多種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的運行，符合本系統的設計要求?；镜目傮w設計圖3所示。

圖3 基站總體設計框圖

　　在野外勘探作業(yè)中可以用一臺筆記本電腦作為上位機，起任務(wù)管理平臺的作用，上位機通過(guò)向基站發(fā)命令信息對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行組建、管理和檢測，控制系統的運行，并對采集的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理?？紤]到分布式電磁探測系統的網(wǎng)絡(luò )組建并不復雜，測量網(wǎng)絡(luò )可以采用星型的平面結構，但要保證可靠性；為了保證遠點(diǎn)數據的傳輸必須考慮多跳路由的問(wèn)題，這是路由協(xié)議設計時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵要素。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò )層路由協(xié)議設計

　　在電磁勘探領(lǐng)域，由于數據量小、通信距離近、實(shí)時(shí)性及數據傳輸速率要求不高，采用zigbee標準進(jìn)行通信是比較恰當的選擇。

　　在本系統中由于節點(diǎn)是同構的，在路由協(xié)議設計上帶來(lái)方便，可以主要考慮了如下因素[6]：

　　(1)拓撲結構：網(wǎng)絡(luò )拓撲結構分為固定拓撲和自組織拓撲兩種配置方式。對于固定的傳感器節點(diǎn)，可采用手動(dòng)配置節點(diǎn)，預先設置數據傳送路徑。而更靈活的傳感器網(wǎng)絡(luò )采用自組織拓撲方式，傳感器節點(diǎn)間通過(guò)通信協(xié)議組織。本系統采用自組織的拓撲方式。

　　(2)數據傳送模式：數據發(fā)送模式可分為連續模式、事件驅動(dòng)模式、查詢(xún)驅動(dòng)模式和混合模式。如緊急預防系統當監測到緊急情況時(shí)，必須主動(dòng)發(fā)送事件至管理平臺。某些應用則是需要數據時(shí)，由觀(guān)察節點(diǎn)發(fā)送事件給傳感器網(wǎng)絡(luò )系統，系統由事件驅動(dòng)返回數據。這里采用了事件驅動(dòng)模式。

　　(3)路由選擇：路由選擇標準有最少使用次數、最大能量、最短距離等。根據節點(diǎn)距離標準，有多跳和單跳路由，無(wú)線(xiàn)射頻的發(fā)送能量與距離的平方成正比，多跳路由的能源消耗比單跳路由少，但是多跳路由在拓撲管理和鏈路連接上開(kāi)銷(xiāo)較大。在分布式電磁探測系統中由于不同的勘探方法使測區范圍變化較大，數據質(zhì)量要求較高，采用多跳路由。

　　為此，在本系統中根據無(wú)線(xiàn)射頻芯片提供的編程接口設計了三種通信協(xié)議幀：命令幀、配置幀、數據幀。幀格式如圖4下所示。

圖4 幀格式

　　各字段含義如下：

　　類(lèi)型表明數據包為哪種幀，一個(gè)字節長(cháng)度。

　　廣播字段表示該幀是否為廣播幀或是點(diǎn)對點(diǎn)幀，占一個(gè)bit位。

　　 源地址表示該幀來(lái)自的節點(diǎn)，其值為該節點(diǎn)的序號，一個(gè)字節長(cháng)度。

　　目的地址表示該幀發(fā)送的目的節點(diǎn)，一個(gè)字節長(cháng)度。

　　長(cháng)度表示該幀的總長(cháng)度，占兩個(gè)字節。

　　時(shí)間戳表示該幀的發(fā)送時(shí)間，兩字節長(cháng)度。

　　校驗和表示該幀的校驗和，用于每個(gè)字節的奇偶校驗，一個(gè)字節長(cháng)度。

　　數據部分根據幀類(lèi)型不同內容、長(cháng)度有較大差別。

　　在上位機、節點(diǎn)的軟件編程中，為方便幀數據包的表示，把它定義為結構體數據類(lèi)型，數據成員的賦值和解析由軟件完成。

　　3.3軟件設計

　　(1)通信機制。本系統中上位機通過(guò)rs-232總線(xiàn)經(jīng)電平轉換與基站rs-485總線(xiàn)直接連接進(jìn)行通信，因為是有線(xiàn)連接而且距離較近，受外界影響較小，所以通信速率可以較大，數據包可以較長(cháng)；對于無(wú)線(xiàn)通信來(lái)說(shuō)，通信距離越大、數據包越長(cháng)、通信速率越高受干擾的可能性就越大，所以子站節點(diǎn)、路由節點(diǎn)與基站之間的通信數據包不應太大，速率也不應過(guò)高。數據的傳輸速率、通信的方式(如停止位、起始位等)等由軟件控制。

　　(2)子站程序設計。子站程序負責采集傳感器數據并做簡(jiǎn)單的處理，根據需要將這些數據傳送給基站；同時(shí)，接收來(lái)自基站節點(diǎn)的數據并根據這些數據完成相關(guān)操作。作為嵌入式處理設備，程序預先下載到單片機里面，上電即開(kāi)始循環(huán)運行。當沒(méi)有數據發(fā)送接收時(shí)，轉入休眠模式，節點(diǎn)功耗降到最低。軟件流程如圖5所示。

圖5 傳感器節點(diǎn)軟件流程

　　(3)基站程序設計?；境绦虻墓δ苤饕墙邮丈衔粰C命令參數，調用不同的子程序實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的組建、完成不同協(xié)議間的數據格式轉換，進(jìn)行數據轉發(fā)；對子站節點(diǎn)發(fā)布命令信息，啟動(dòng)子站執行探測任務(wù)，進(jìn)行數據采集；讀取子站數據，按要求把數據發(fā)送到上位機。如圖6所示。

圖6 sink節點(diǎn)軟件流程圖

　　(4)位機程序設計。上位機程序主要向基站發(fā)送一些約定的命令參數來(lái)實(shí)現分布式探測網(wǎng)絡(luò )的管理和控制，并通過(guò)數據分析軟件實(shí)現對數據的實(shí)時(shí)處理。

4 應用實(shí)例
　
　　激發(fā)極化法是電法勘探的一組重要分支方法，主要用來(lái)勘查各類(lèi)金屬礦產(chǎn)，特別是對電阻率與圍巖差別不大的侵染型金屬礦而言，比電阻率法和電磁法更為有效[4]。本系統利用激發(fā)極化法(時(shí)間域的)對已知的目標體進(jìn)行探測，并與在同一條件下用美國zonge公司的gdp-32⒍喙δ艿綬ㄒ遣飭拷峁進(jìn)行比對，測量曲線(xiàn)對比圖參見(jiàn)圖7所示。實(shí)驗的主要設計如下：

　　探測方法：時(shí)域激發(fā)極化法；
　
　　測量參數：一次電位δu1、二次電位δu2；
　
　　計算參數：視極化率ρ，ρ=δu1/δu2×100%；
　
　　測量方式：主剖面法；
　
　　裝置類(lèi)型：偶極－偶極。

圖7 測量對比圖

5 結束語(yǔ)
　
　　本文把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的理論要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)應用于分布式電磁探測系統的組網(wǎng)中，在程序中控制組網(wǎng)方式和各種數據交互功能。通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸有效解決電磁勘探工作野外實(shí)驗布線(xiàn)難的問(wèn)題，提高了野外工作效率。目前還沒(méi)有看到國內有關(guān)多功能電法儀器利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方式進(jìn)行地質(zhì)探測的應用。
　
　　分布式電磁探測系統具有多種測量功能，在一些復雜的電磁測量中(如csamt)，由于探測區域大、測點(diǎn)多、影響因素難于估計，所以對網(wǎng)絡(luò )組建和管理的要求會(huì )更高，需要對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的理論和技術(shù)進(jìn)一步深入研究，在相應軟件設計上還要做大量工作。