基于IPv6的無線高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)

GPRS與IPv6無線網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換主要實現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)報文與GPRS報文雙向轉(zhuǎn)換。圖6為GPRS報文與IPv6報文的轉(zhuǎn)換過程。PAYLOAD為報文中的有效數(shù)據(jù)載荷。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)射頻部分(PHY層)接收到數(shù)據(jù)報文，根據(jù)IPv6通信協(xié)議從PHY到IPv6幀頭解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP(UDP)／IP的報文格式交由滿足GPRS通信協(xié)議的終端設(shè)備處理，從而實現(xiàn)無線接收到的信息到GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸。
3．4 針對嚴(yán)酷環(huán)境的硬件設(shè)計
雷電是自然電磁干擾源中最強的一種，雷電侵害和電磁干擾往往是多方位、多渠道的。早期的電氣設(shè)備大多具有結(jié)構(gòu)簡單、體積大、絕緣水平相對較高等特點；處在強電磁場環(huán)境中，雖然也會受到電磁干擾，但由于其本身傳遞的信號較強，電磁兼容性問題也并不十分突出。因此如何防止雷電中電磁脈沖對節(jié)點的元器件本身和元器件之間的信號的影響是當(dāng)今社會的研究熱點。
為此，我們采用以下幾點方法來降低節(jié)點對印制板電路上的電磁干擾。
①在器件的每個電源引腳處放置0．1μF和1．0μF的去耦電容，盡可能地靠近芯片；在整個系統(tǒng)的電源入口處放置100μF的大容量去耦濾波電容。
②將PCB板上不使用的空間接地，即所謂的大面積覆銅。
③外部晶振離元器件外部振蕩器引腳盡量地近。
④使用最短的連線以避免產(chǎn)生“天線”。
⑤使用一個1～4．7 kΩ的電阻將／RST拉為高電平。在／RST走線和地之間設(shè)一個0．1ΩF的去耦電容。
⑥將TMS、TCK、TDI引腳接固定電平。
⑦連接至系統(tǒng)電纜或其他電路板上的信號時應(yīng)在PCB的連接點處適當(dāng)?shù)貫V波。
經(jīng)過以上處理后能夠?qū)⑼獠侩姶怒h(huán)境對器件的影響降低到最小。
3．4．1 對高低溫環(huán)境的處理辦法
青藏高原夏季往往有強烈的高溫出現(xiàn)，這樣的高溫往往會使微電子系統(tǒng)的性能下降，甚至于會使系統(tǒng)崩潰。
為了解決高溫的問題，首先在系統(tǒng)中采用散熱片和智能降溫風(fēng)扇相結(jié)合的方式。高溫環(huán)境一般出現(xiàn)在夏季白天。在這種環(huán)境下通常陽光充足，太陽能電池板輸出電流較大。利用系統(tǒng)自帶的溫度傳感器進行溫度測量，設(shè)定一定的溫度閥值，當(dāng)系統(tǒng)溫度低于該溫度采用散熱片散熱，當(dāng)系統(tǒng)溫度超過預(yù)設(shè)溫度時，打開降溫風(fēng)扇對系統(tǒng)進行降溫。
青藏高原最低月平均溫度在-15～-10℃之間，因此，必須采用特殊手段才能解決節(jié)點在如此低溫的條件下的運行問題。為此設(shè)計了一種可以通過MCU控制的智能加熱系統(tǒng)。將銅質(zhì)加熱器通過銅質(zhì)熱管嵌入鋁制散熱器，在低溫時鋁制散熱器上的風(fēng)扇不工作，此時鋁制散熱器充當(dāng)加熱片的功能，將銅質(zhì)加熱器的熱量均勻的分散到各IC上。銅質(zhì)加熱器通過MCU控制，當(dāng)MCU檢查到系統(tǒng)工作環(huán)境溫度低于設(shè)定閥值時，自動開啟加熱器。
3．4．2 對潮濕環(huán)境的處理辦法
在運行過程中，過多的水分會造成電路短路燒毀的危險，因此我們針對潮濕環(huán)境對系統(tǒng)做了特殊處理。具體的處理辦法是為PCB涂上一層三防漆。其特點為：
①固化速度快，對各種電路板有良好的附著力。
②三防漆具有良好的耐高低溫性能；其固化后成一層透明保護膜，具有優(yōu)越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防鹽霧、防霉、防老化、耐電暈等性能。
最后，通過設(shè)計穩(wěn)定的外部封裝盒來防止開放環(huán)境中的大風(fēng)，大雨等惡劣天氣對系統(tǒng)的影響。
3．5 監(jiān)控中心設(shè)計
監(jiān)控中心的主要功能是對數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行分析、管理和展示。
3．5．1 數(shù)據(jù)功能
監(jiān)控中心監(jiān)控的匯聚節(jié)點很多，對每種傳感器上傳的數(shù)據(jù)都必須使用不同的公式來進行物理量的反演。同類傳感器中的不同個體也存在差異，監(jiān)控中心需要針對不同的傳感器個體設(shè)置不同的校正系數(shù)。由于涉及大量數(shù)據(jù)，需使用SQL Server對傳感器數(shù)據(jù)進行管理。監(jiān)控中心所檢測的區(qū)域十分龐大，用直觀的呈現(xiàn)方式將每個傳感器節(jié)點在地圖上進行標(biāo)注，使用戶在選擇數(shù)據(jù)的同時只需選擇自己傳感器節(jié)點所在的位置即可。在此選擇Map Server開源的地理信息系統(tǒng)(GIS)，能將數(shù)據(jù)和地圖相結(jié)合，并將結(jié)果上傳互聯(lián)網(wǎng)。
3．5．2 控制功能
監(jiān)控中心除了能夠?qū)?shù)據(jù)進行一系列操作以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對匯聚節(jié)點的控制和對用戶的通知。監(jiān)控中心中的GSM／GPRS Modem在實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，還能實現(xiàn)短信(SMS)的收發(fā)，并通過短信將命令發(fā)送給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點對命令進行解析后，針對不同的命令做出不同的響應(yīng)。

結(jié)語
本文設(shè)計一種基于IPv6的無線高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)。通過現(xiàn)場調(diào)試，無線傳感器節(jié)點能夠精確地采集溫度、濕度、二氧化碳、氮氣的物理值，并且實現(xiàn)了基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過該網(wǎng)絡(luò)，各傳感器節(jié)點能夠?qū)?shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸給匯聚節(jié)點。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點能夠?qū)⑷诤虾蟮臄?shù)據(jù)實時地傳送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)解析后利用GIS系統(tǒng)展示，并且還能利用短信系統(tǒng)對匯聚節(jié)點進行控制，以更好地指導(dǎo)環(huán)境保護和建設(shè)工作。