基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式電磁探測系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，wsn)是一種由大量微小的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和短距離無線通信模塊的節(jié)點組成的，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。wsn不需要固定的網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖和其他商業(yè)領(lǐng)域，以及空間探索和搶險救災(zāi)等特殊領(lǐng)域。

　　分布式電磁探測系統(tǒng)通過探測地下目標(biāo)體的電性差異，分析異常分布規(guī)律來實現(xiàn)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(fù)雜，一些區(qū)域勘探人員難于接近或逾越，采用傳統(tǒng)有線的連接方式不僅大大增加了工作量，也使一些區(qū)域因不能布線而無法勘探。因此采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)建分布式電磁探測系統(tǒng)具有較強的現(xiàn)實意義。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

　　2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件組成

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計與組網(wǎng)方式與應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)。典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在硬件上主要有三部分組成，即傳感器節(jié)點、基站(又叫終端節(jié)點、匯聚節(jié)點)和任務(wù)管理平臺。其中傳感器節(jié)點是網(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，除了進行本地信息收集和簡單的數(shù)據(jù)處理，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，它們大量分布在數(shù)據(jù)監(jiān)測區(qū)域，被監(jiān)測信號的物理形式?jīng)Q定傳感器節(jié)點類型；基站用來實現(xiàn)兩個通信網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)兩個協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理節(jié)點，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。任務(wù)管理平臺對整個網(wǎng)絡(luò)進行檢測、管理，并對數(shù)據(jù)進行處理，通常為運行管理軟件的pc機或者手持設(shè)備。典型的無線傳感器網(wǎng)路組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)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，但總的來說還沒有形成被廣泛認可的標(biāo)準(zhǔn)。

　　ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)(personal area network，pan)的通信標(biāo)準(zhǔn)，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)[5]。

　　zigbee協(xié)議是zigbee企業(yè)聯(lián)盟基于802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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；

　　(2)zigbee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件；

　　(3)zigbee基于ieee802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)，同時zigbee聯(lián)盟通過與ieee緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案；

　　(4)802.15.4工作組主要負責(zé)制定物理層(phy)和媒體訪問控制(mac)層標(biāo)準(zhǔn)，而zigbee負責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議

　　協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)路的靈魂，在不需其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持的情況下，它直接決定網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。從網(wǎng)絡(luò)層來看路由協(xié)議可以分為兩種結(jié)構(gòu)類型[3]：平面型和層次型。

　　在平面型的路由協(xié)議中所有傳感結(jié)點的地位平等，協(xié)議制訂比較簡單，屬于對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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，每一個結(jié)點都需要知道到達其他所有結(jié)點的路由，維護這些動態(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簇成員，簇頭結(jié)點負責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。簇頭可以預(yù)先指定，也可以由結(jié)點使用算法自動選舉產(chǎn)生。層次型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：簇成員的功能比較簡單，不需要維護復(fù)雜的路由信息，減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴充性；由于簇頭結(jié)點可以隨時選舉產(chǎn)生，層次型結(jié)構(gòu)也具有很強的健壯性。但是層次性結(jié)構(gòu)的缺點也很明顯：維護分級結(jié)構(gòu)需要結(jié)點執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭結(jié)點可能會成為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i。

　　因此在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時，如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，可以采用簡單的平面式結(jié)構(gòu)；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時，應(yīng)用層次結(jié)構(gòu)。

3 分布式電磁探測系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)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(tǒng)，用來完成各種電法測量的功能，如電阻率、激發(fā)極化電位ip(時域和頻域)、可控源音頻大地電磁csamt(標(biāo)量、矢量、張量)等的測量，測量的參數(shù)主要有電場和磁場。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，子站作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，根據(jù)不同的測量功能布置在探測區(qū)域的各個測點上。采用高性能ieee802.15.4/zigbee兼容射頻芯片cc2420作為無線收發(fā)模塊，可以使設(shè)備與采用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備實現(xiàn)互連互通，可工作于2.4g 免授權(quán)頻段，支持16個最大傳輸速率為250kbps 的信道；同時采用了dsss技術(shù)，具有極強的抗干擾性；內(nèi)置收發(fā)射頻開關(guān)，硬件mac加密(aes-128)，支持數(shù)字rssi/lqi，與處理器的接口較為簡單，在業(yè)界處于領(lǐng)先水平。子站的總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 子站的總體設(shè)計框圖

　　基站實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換，控制子站的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺，基站采用pc104嵌入式平臺設(shè)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(tǒng)的應(yīng)用，它在數(shù)據(jù)采集方面速度快、精度高，適合多種軟件開發(fā)環(huán)境的運行，符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求?；镜目傮w設(shè)計圖3所示。

圖3 基站總體設(shè)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，上位機通過向基站發(fā)命令信息對網(wǎng)絡(luò)進行組建、管理和檢測，控制系統(tǒng)的運行，并對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理。考慮到分布式電磁探測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建并不復(fù)雜，測量網(wǎng)絡(luò)可以采用星型的平面結(jié)構(gòu)，但要保證可靠性；為了保證遠點數(shù)據(jù)的傳輸必須考慮多跳路由的問題，這是路由協(xié)議設(shè)計時的一個關(guān)鍵要素。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議設(shè)計

　　在電磁勘探領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)量小、通信距離近、實時性及數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，采用zigbee標(biāo)準(zhǔn)進行通信是比較恰當(dāng)?shù)倪x擇。

　　在本系統(tǒng)中由于節(jié)點是同構(gòu)的，在路由協(xié)議設(shè)計上帶來方便，可以主要考慮了如下因素[6]：

　　(1)拓撲結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)點，可采用手動配置節(jié)點，預(yù)先設(shè)置數(shù)據(jù)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(jié)點間通過通信協(xié)議組織。本系統(tǒng)采用自組織的拓撲方式。

　　(2)數(shù)據(jù)傳送模式：數(shù)據(jù)發(fā)送模式可分為連續(xù)模式、事件驅(qū)動模式、查詢驅(qū)動模式和混合模式。如緊急預(yù)防系統(tǒng)當(dāng)監(jiān)測到緊急情況時，必須主動發(fā)送事件至管理平臺。某些應(yīng)用則是需要數(shù)據(jù)時，由觀察節(jié)點發(fā)送事件給傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)由事件驅(qū)動返回數(shù)據(jù)。這里采用了事件驅(qū)動模式。

　　(3)路由選擇：路由選擇標(biāo)準(zhǔn)有最少使用次數(shù)、最大能量、最短距離等。根據(jù)節(jié)點距離標(biāo)準(zhǔn)，有多跳和單跳路由，無線射頻的發(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銷較大。在分布式電磁探測系統(tǒng)中由于不同的勘探方法使測區(qū)范圍變化較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高，采用多跳路由。

　　為此，在本系統(tǒng)中根據(jù)無線射頻芯片提供的編程接口設(shè)計了三種通信協(xié)議幀：命令幀、配置幀、數(shù)據(jù)幀。幀格式如圖4下所示。

圖4 幀格式

　　各字段含義如下：

　　類型表明數(shù)據(jù)包為哪種幀，一個字節(jié)長度。

　　廣播字段表示該幀是否為廣播幀或是點對點幀，占一個bit位。

　　 源地址表示該幀來自的節(jié)點，其值為該節(jié)點的序號，一個字節(jié)長度。

　　目的地址表示該幀發(fā)送的目的節(jié)點，一個字節(jié)長度。

　　長度表示該幀的總長度，占兩個字節(jié)。

　　時間戳表示該幀的發(fā)送時間，兩字節(jié)長度。

　　校驗和表示該幀的校驗和，用于每個字節(jié)的奇偶校驗，一個字節(jié)長度。

　　數(shù)據(jù)部分根據(jù)幀類型不同內(nèi)容、長度有較大差別。

　　在上位機、節(jié)點的軟件編程中，為方便幀數(shù)據(jù)包的表示，把它定義為結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)成員的賦值和解析由軟件完成。

　　3.3軟件設(shè)計

　　(1)通信機制。本系統(tǒng)中上位機通過rs-232總線經(jīng)電平轉(zhuǎn)換與基站rs-485總線直接連接進行通信，因為是有線連接而且距離較近，受外界影響較小，所以通信速率可以較大，數(shù)據(jù)包可以較長；對于無線通信來說，通信距離越大、數(shù)據(jù)包越長、通信速率越高受干擾的可能性就越大，所以子站節(jié)點、路由節(jié)點與基站之間的通信數(shù)據(jù)包不應(yīng)太大，速率也不應(yīng)過高。數(shù)據(jù)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(shè)計。子站程序負責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并做簡單的處理，根據(jù)需要將這些數(shù)據(jù)傳送給基站；同時，接收來自基站節(jié)點的數(shù)據(jù)并根據(jù)這些數(shù)據(jù)完成相關(guān)操作。作為嵌入式處理設(shè)備，程序預(yù)先下載到單片機里面，上電即開始循環(huán)運行。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送接收時，轉(zhuǎn)入休眠模式，節(jié)點功耗降到最低。軟件流程如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點軟件流程

　　(3)基站程序設(shè)計?；境绦虻墓δ苤饕墙邮丈衔粰C命令參數(shù)，調(diào)用不同的子程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建、完成不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；對子站節(jié)點發(fā)布命令信息，啟動子站執(zhí)行探測任務(wù)，進行數(shù)據(jù)采集；讀取子站數(shù)據(jù)，按要求把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。如圖6所示。

圖6 sink節(jié)點軟件流程圖

　　(4)位機程序設(shè)計。上位機程序主要向基站發(fā)送一些約定的命令參數(shù)來實現(xiàn)分布式探測網(wǎng)絡(luò)的管理和控制，并通過數(shù)據(jù)分析軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時處理。

4 應(yīng)用實例
　
　　激發(fā)極化法是電法勘探的一組重要分支方法，主要用來勘查各類金屬礦產(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(tǒng)利用激發(fā)極化法(時間域的)對已知的目標(biāo)體進行探測，并與在同一條件下用美國zonge公司的gdp-32⒍喙δ艿綬ㄒ遣飭拷峁進行比對，測量曲線對比圖參見圖7所示。實驗的主要設(shè)計如下：

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

圖7 測量對比圖

5 結(jié)束語
　
　　本文把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論要點和關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于分布式電磁探測系統(tǒng)的組網(wǎng)中，在程序中控制組網(wǎng)方式和各種數(shù)據(jù)交互功能。通過無線數(shù)據(jù)傳輸有效解決電磁勘探工作野外實驗布線難的問題，提高了野外工作效率。目前還沒有看到國內(nèi)有關(guān)多功能電法儀器利用無線網(wǎng)絡(luò)方式進行地質(zhì)探測的應(yīng)用。
　
　　分布式電磁探測系統(tǒng)具有多種測量功能，在一些復(fù)雜的電磁測量中(如csamt)，由于探測區(qū)域大、測點多、影響因素難于估計，所以對網(wǎng)絡(luò)組建和管理的要求會更高，需要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和技術(shù)進一步深入研究，在相應(yīng)軟件設(shè)計上還要做大量工作。