無線網絡傳感器系統在地質災害監測中的應用

　　近年來我國地質災害的發生頻率越來越高，由此造成的損失也逐年加劇，對地質災害進行監測的儀器研制工作就顯得非常重要。目前已經研制并應用的監測儀器主要是通過線纜連接前端的傳感器，這種方式的主要缺點是架線比較困難、同時連接的傳感器數量有限，不適合地形復雜、要求監測點多的地質環境。本文提出的無線網絡傳感器系統，針對地質災害監測的應用環境，在物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4協議，在網絡層采用了ZigBee協議，進行了降低功耗和簡化路由算法的工作，有效的增加了傳感器數量，相對于有線方式具有很大的優越性。

　　無線網絡傳感器系統

　　無線網絡傳感器系統由傳感器節點、基站節點、監控中心組成。傳感器節點都具有路由功能，它們與基站節點按照簇樹的分層結構自治地組成網絡。傳感器節點對災害體變形位移量等進行采集，采集的數據經過處理后，沿著自身優化的路由算法路徑傳送到基站節點，基站節點匯聚各個傳感器節點采集的數據并進行數據融合，通過GPRS網絡最終到達監控中心，無線網絡傳感器體系結構如圖1所示。

　　傳感器節點受到存儲容量有限、計算能力有限、電源能量有限等諸多條件的限制;基站節點連接傳感器網絡和外部網絡，負責不同協議之間的轉換和數據融合工作，實質上起到了一個網關的作用;監控中心對整個網絡進行管理，獲取監測區域的多種災害體實時信息。

　　硬件系統設計

　　本系統硬件部分包括傳感器節點和基站節點，由于功能不同，它們的硬件結構是有區別的。

　　傳感器節點

　　傳感器節點由數據采集處理單元、無線通信單元與供電單元構成，硬件原理框圖如圖2所示，位移傳感器采用了高精度的線性電阻，可以保持1mm的測量精度;數據采集處理單元選用了Atmel公司的ATmegal1281處理器，它具有功耗低和集成度高的特點，內置AD轉換器，完成數據采集的工作。

　　無線通信單元采用了Atmel公司的AT86RF212芯片，它工作在780MHz(IEEE 802.15.4C)的中國WPAN頻段，適用于IEEE 802.15.4與Zigbee標準，支持IEEE 802.15.4、Zigbee協議棧，接收靈敏度可達-110dBm，AT86RF212的外圍電路如圖3所示。ATmegal1281通過SPI接口與AT86RF212相連，完成數據的發送與命令的接收任務。

　　供電單元依靠外部的3.6V鋰電池為以上的各個部分提供電源，數據采集處理單元和無線通信單元需要3.3V供電，可以直接通過電池提供;位移傳感器需要5V供電，需要通過DC-DC模塊把3.3V升壓為5V。考慮到節能需要，只是在采集的時間點給傳感器供電，在睡眠期通過MOSFET模塊把這部分供電切斷以節約電池的電量。

　　基站節點

　　基站節點不需要具有數據采集的功能，但是需要連接傳感器網絡與GPRS網絡，負責接收監控中心下發的命令(定時采集間隔等)、接收傳感器節點的請求與數據，具有網絡協調、數據融合、下發命令、上傳數據等功能。主要由處理單元、無線通信單元、GPRS單元、供電單元構成，硬件原理框圖如圖4所示，供電單元采用外部DC電源，以保證給基站節點的持續供電。