1 引言
無線傳感器" title="無線傳感器">無線傳感器網(wǎng)絡(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的智能網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng),。wsn不需要固定的網(wǎng)絡支持,，具有快速展開、抗毀性強等特點,，可廣泛應用于軍事偵察,、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等特殊領(lǐng)域。
分布式" title="分布式">分布式電磁探測" title="電磁探測">電磁探測系統(tǒng)通過探測地下目標體的電性差異,，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)絡分析
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡硬件組成
傳感器網(wǎng)絡的硬件設計與組網(wǎng)方式與應用領(lǐng)域密切相關(guān),。典型無線傳感器網(wǎng)絡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)和任務管理平臺,。其中傳感器節(jié)點是網(wǎng)絡的主要組成部分,，具有網(wǎng)絡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)絡上。任務管理平臺對整個網(wǎng)絡進行檢測,、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)絡組成結(jié)構(gòu)
2.2 網(wǎng)絡協(xié)議
無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議棧主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,、網(wǎng)絡層,、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準,。
ieee802.15.4標準是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(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，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標準,。由于ieee802.15.4標準的網(wǎng)絡特征與無線傳感器網(wǎng)絡存在相似之處,，很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡的通信標準[5]。
zigbee協(xié)議是zigbee企業(yè)聯(lián)盟基于802.15.4無線標準研制開發(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,；
(2)zigbee增加了邏輯網(wǎng)絡和應用軟件,；
(3)zigbee基于ieee802.15.4射頻標準，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工作組主要負責制定物理層(phy)和媒體訪問控制(mac)層標準,，而zigbee負責網(wǎng)絡層和應用層的開發(fā)。
2.3 網(wǎng)絡層路由協(xié)議
協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)路的靈魂，在不需其它網(wǎng)絡設備支持的情況下,，它直接決定網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu),。從網(wǎng)絡層來看路由協(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)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡中不存在瓶頸,，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)絡以簇為單位劃分為簇頭和多個簇成員,，簇頭結(jié)點負責簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),。簇頭可以預先指定，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,，不需要維護復雜的路由信息，減少了網(wǎng)絡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)絡傳輸?shù)钠款i,。
因此在設計網(wǎng)絡路由協(xié)議時,，如果網(wǎng)絡的規(guī)模較小，可以采用簡單的平面式結(jié)構(gòu),；而當網(wǎng)絡的規(guī)模增大時,，應用層次結(jié)構(gòu)。
3 分布式電磁探測系統(tǒng)設計" title="系統(tǒng)設計">系統(tǒng)設計
3.1硬件設計
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,，可以使設備與采用802.15.4標準的設備實現(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,。子站的總體設計如圖2所示。
圖2 子站的總體設計框圖
基站實現(xiàn)網(wǎng)絡數(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,?？紤]到分布式電磁探測系統(tǒng)的網(wǎng)絡組建并不復雜，測量網(wǎng)絡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)議設計時的一個關(guān)鍵要素,。
3.2 網(wǎng)絡層路由協(xié)議設計
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標準進行通信是比較恰當?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,，預先設置數(shù)據(jù)傳送路徑。而更靈活的傳感器網(wǎng)絡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。如緊急預防系統(tǒng)當監(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：路由選擇標準有最少使用次數(shù),、最大能量、最短距離等,。根據(jù)節(jié)點距離標準,，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)包不應太大,，速率也不應過高。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)子站程序設計,。子站程序負責采集傳感器數(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,。作為嵌入式處理設備，程序預先下載到單片機里面,，上電即開始循環(huán)運行,。當沒有數(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,，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)對已知的目標體進行探測，并與在同一條件下用美國zonge公司的gdp-32ⅱ多功能電法儀測量結(jié)果進行比對,，測量曲線對比圖參見圖7所示,。實驗的主要設計如下：
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)絡的理論要點和關(guān)鍵技術(shù)應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)絡方式進行地質(zhì)探測的應用,。
分布式電磁探測系統(tǒng)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(qū)域大,、測點多,、影響因素難于估計，所以對網(wǎng)絡組建和管理的要求會更高,，需要對無線傳感器網(wǎng)絡的理論和技術(shù)進一步深入研究,，在相應軟件設計上還要做大量工作。