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(jì)

1、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(jì)    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(diǎn)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(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖和其他商業(yè)領(lǐng)域，以及空間探索

2、和搶險(xiǎn)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(shí)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(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。         &#

3、160; 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(jì)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(diǎn)、基站(又叫終端節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn))和任務(wù)管理平臺。其中傳感器節(jié)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

4、本地信息收集和簡單的數(shù)據(jù)處理，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)類型；基站用來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理節(jié)點(diǎn)，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(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測、管理，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通常為運(yùn)行管理軟件的pc機(jī)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。                 

5、;                          圖1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)3  分布式電磁探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)                  

6、                     圖2 子站的總體設(shè)計(jì)框圖 基站實(shí)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(jì)，該平臺與ibm的pc機(jī)兼容，片上資源豐富，具有靈活的可擴(kuò)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(yùn)行，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求?；镜目傮w設(shè)計(jì)圖3所示

7、。                                    圖3 基站總體設(shè)計(jì)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(jī)，起任務(wù)管理平臺的作用，上位機(jī)通過向基站發(fā)命令信息對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建、管理和檢測，控制系統(tǒng)的運(yùn)行，并對

8、采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yuǎn)點(diǎn)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(jì)時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵要素。           3.2 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議設(shè)計(jì)             在電磁勘探領(lǐng)域，由于數(shù)據(jù)量小、通信距離近、實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，采用zigbee標(biāo)

9、準(zhǔn)進(jìn)行通信是比較恰當(dāng)?shù)倪x擇。             在本系統(tǒng)中由于節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，在路由協(xié)議設(shè)計(jì)上帶來方便，可以主要考慮了如下因素6：             (1)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為固定拓?fù)浜妥越M織拓?fù)鋬煞N配置方式。對于固定的傳感器節(jié)點(diǎn)，可采用手動配置節(jié)點(diǎn)，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?fù)浞绞?，傳感器?jié)點(diǎn)

10、間通過通信協(xié)議組織。本系統(tǒng)采用自組織的拓?fù)浞绞健?#160;            (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(shí)，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(shí)，由觀察節(jié)點(diǎn)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?cái)?shù)據(jù)。這里采用了事件驅(qū)動模式。           

11、0; (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(diǎn)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?fù)涔芾砗玩溌愤B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(jì)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。

12、0;                                 圖4    幀格式各字段含義如下：           &#

13、160; 類型表明數(shù)據(jù)包為哪種幀，一個(gè)字節(jié)長度。             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。             源地址表示該幀來自的節(jié)點(diǎn)，其值為該節(jié)點(diǎn)的序號，一個(gè)字節(jié)長度。          &

14、#160;  目的地址表示該幀發(fā)送的目的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)字節(jié)長度。             長度表示該幀的總長度，占兩個(gè)字節(jié)。             時(shí)間戳表示該幀的發(fā)送時(shí)間，兩字節(jié)長度。           &#

15、160; 校驗(yàn)和表示該幀的校驗(yàn)和，用于每個(gè)字節(jié)的奇偶校驗(yàn)，一個(gè)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(jī)、節(jié)點(diǎn)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。    

16、60;      3.3軟件設(shè)計(jì)             (1)通信機(jī)制。本系統(tǒng)中上位機(jī)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(jìn)行通信，因?yàn)槭怯芯€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(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)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

17、方式(如停止位、起始位等)等由軟件控制。             (2)子站程序設(shè)計(jì)。子站程序負(fù)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(shí)，接收來自基站節(jié)點(diǎn)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(jī)里面，上電即開始循環(huán)運(yùn)行。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送接收時(shí)，轉(zhuǎn)入休眠模式，節(jié)點(diǎn)功耗降到最低。軟件流程如圖5所示。         

18、0;                       圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程(3)基站程序設(shè)計(jì)。基站程序的功能主要是接收上位機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；對子站節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令信息，啟動子站執(zhí)行探測任務(wù)，進(jìn)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(jī)。如圖6所示。    

19、                             圖6 sink節(jié)點(diǎn)軟件流程圖(4)位機(jī)程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)程序主要向基站發(fā)送一些約定的命令參數(shù)來實(shí)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(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。       &#

20、160;   4  應(yīng)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(shí)間域的)對已知的目標(biāo)體進(jìn)行探測，并與在同一條件下用美國zonge公司的gdp-32多功能電法儀測量結(jié)果進(jìn)行比對，測量曲線對比圖參見圖7所示。實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)如下：探測方法：時(shí)域激發(fā)極化法；            測量參