基于无线传感器网络的电磁探测系统设计

 

　　1 引言

　　无线传感器网络(wireless sensor network，wsn)是一种由大量微小的集成有传感器、数据处理单元和短距离无线通信模块的节点组成的，能够根据环境自主完成指定任务的智能网络监控系统。wsn不需要固定的网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和其他商业领域，以及空间探索和抢险救灾等特殊领域。

　　分布式电磁探测系统通过探测地下目标体的电性差异，分析异常分布规律来实现勘探目的。由于野外工作环境恶劣，沟堑河流阻断，地形地貌复杂，一些区域勘探人员难于接近或逾越，采用传统有线的连接方式不仅大大增加了工作量，也使一些区域因不能布线而无法勘探。因此采用无线传感器网络的方式构建分布式电磁探测系统具有较强的现实意义。

　　2 无线传感器网络分析

　　2.1 无线传感器网络硬件组成

　　传感器网络的硬件设计与组网方式与应用领域密切相关。典型无线传感器网络在硬件上主要有三部分组成，即传感器节点、基站(又叫终端节点、汇聚节点)和任务管理平台。其中传感器节点是网络的主要组成部分，具有网络终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和简单的数据处理，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合，它们大量分布在数据监测区域，被监测信号的物理形式决定传感器节点类型;基站用来实现两个通信网络之间数据的交换，实现两个协议栈之间的通信协议转换、管理节点，并把收集到的数据转发到外部网络上。任务管理平台对整个网络进行检测、管理，并对数据进行处理，通常为运行管理软件的pc机或者手持设备。典型的无线传感器网路组成结构如图1所示。

　　

 

　　图1 典型无线传感器网络组成结构

　　2.2 网络协议

　　无线传感器网络通信协议栈主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。尽管目前很多研究人员已经为传感器网络的各层提出了一些解决方案，但总的来说还没有形成被广泛认可的标准。

　　ieee802.15.4标准是针对低速无线个人域网络(personal area network，pan)的通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供统一标准。由于ieee802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在相似之处，很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准[5]。

　　zigbee协议是zigbee企业联盟基于802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，它与802.15.4之间存在如下关系：

　　(1)zigbee完整、充分地利用了ieee802.15.4定义的功能强大的物理特性的优点;

　　(2)zigbee增加了逻辑网络和应用软件;

　　(3)zigbee基于ieee802.15.4射频标准，同时zigbee联盟通过与ieee紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案;

　　(4)802.15.4工作组主要负责制定物理层(phy)和媒体访问控制(mac)层标准，而zigbee负责网络层和应用层的开发。

　　2.3 网络层路由协议

　　协议是无线传感器网路的灵魂，在不需其它网络设备支持的情况下，它直接决定网络的体系结构。从网络层来看路由协议可以分为两种结构类型[3]：平面型和层次型。

　　在平面型的路由协议中所有传感结点的地位平等，协议制订比较简单，属于对等网络结构，网络中不存在瓶颈，工作可靠，比较健壮。但是这种协议可扩充性差，每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。

　　在层次型的路由协议中网络以簇为单位划分为簇头和多个簇成员，簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由结点使用算法自动选举产生。层次型结构的优点是：簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性;由于簇头结点可以随时选举产生，层次型结构也具有很强的健壮性。但是层次性结构的缺点也很明显：维护分级结构需要结点执行簇头选举算法，簇头结点可能会成为网络传输的瓶颈。

　　因此在设计网络路由协议时，如果网络的规模较小，可以采用简单的平面式结构;而当网络的规模增大时，应用层次结构。

　　3 分布式电磁探测系统设计

　　3.1硬件设计

　　本系统主要由子站、基站和管理平台三部分组成。子站是一种嵌入式微处理器系统，用来完成各种电法测量的功能，如电阻率、激发极化电位ip(时域和频域)、可控源音频大地电磁csamt(标量、矢量、张量)等的测量，测量的参数主要有电场和磁场。子站采用msp430f1611作为微处理器，它是一款高性能的低功耗16为单片机，具有丰富的存储资源和接口，易于集成外围器件，子站作为无线传感器网络的节点，根据不同的测量功能布置在探测区域的各个测点上。采用高性能ieee802.15.4/zigbee兼容射频芯片cc2420作为无线收发模块，可以使设备与采用802.15.4标准的设备实现互连互通，可工作于2.4g 免授权频段，支持16个最大传输速率为250kbps 的信道;同时采用了dsss技术，具有极强的抗干扰性;内置收发射频开关，硬件mac加密(aes-128)，支持数字rssi/lqi，与处理器的接口较为简单，在业界处于领先水平。子站的总体设计如图2所示。

　　

 

　　图2 子站的总体设计框图

　　基站实现网络数据的交换，控制子站的数据采集和发送，并把数据发送到管理平台，基站采用pc104嵌入式平台设计，该平台与ibm的pc机兼容，片上资源丰富，具有灵活的可扩展性，其小巧的尺寸非常适合嵌入式系统的应用，它在数据采集方面速度快、精度高，适合多种软件开发环境的运行，符合本系统的设计要求。基站的总体设计图3所示。

　　

 

　　图3 基站总体设计框图

　　在野外勘探作业中可以用一台笔记本电脑作为上位机，起任务管理平台的作用，上位机通过向基站发命令信息对网络进行组建、管理和检测，控制系统的运行，并对采集的数据进行实时处理。考虑到分布式电磁探测系统的网络组建并不复杂，测量网络可以采用星型的平面结构，但要保证可靠性;为了保证远点数据的传输必须考虑多跳路由的问题，这是路由协议设计时的一个关键要素。