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

1 引言

　　無(wú)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(wú)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(kāi)、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(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖和其他商業(yè)領(lǐng)域，以及空間探索和搶險(xiǎn)救災(zāi)等特殊領(lǐng)域。

　　分布式電磁探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)地下目標(biāo)體的電性差異，分析異常分布規(guī)律來(lái)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(wú)法勘探。因此采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)建分布式電磁探測(cè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

　　2.1 無(wú)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(wú)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(tái)。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)行本地信息收集和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，它們大量分布在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域，被監(jiān)測(cè)信號(hào)的物理形式?jīng)Q定傳感器節(jié)點(diǎn)類(lèi)型；基站用來(lái)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(tái)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)、管理，并對(duì)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(wú)線傳感器網(wǎng)路組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　無(wú)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(lái)說(shuō)還沒(méi)有形成被廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。

　　ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)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(jì)的主要目標(biāo)，旨在為個(gè)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在相似之處，很多研究機(jī)構(gòu)把它作為無(wú)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)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(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)；

　　(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(shí)zigbee聯(lián)盟通過(guò)與ieee緊密工作來(lái)確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案；

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

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議

　　協(xié)議是無(wú)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(lái)看路由協(xié)議可以分為兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)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(diǎn)的地位平等，協(xié)議制訂比較簡(jiǎn)單，屬于對(duì)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(kuò)充性差，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有結(jié)點(diǎn)的路由，維護(hù)這些動(dòng)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(gè)簇成員，簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)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(diǎn)使用算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。層次型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：簇成員的功能比較簡(jiǎn)單，不需要維護(hù)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(kuò)充性；由于簇頭結(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，層次型結(jié)構(gòu)也具有很強(qiáng)的健壯性。但是層次性結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也很明顯：維護(hù)分級(jí)結(jié)構(gòu)需要結(jié)點(diǎn)執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭結(jié)點(diǎn)可能會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i。

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

3 分布式電磁探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要由子站、基站和管理平臺(tái)三部分組成。子站是一種嵌入式微處理器系統(tǒng)，用來(lái)完成各種電法測(cè)量的功能，如電阻率、激發(fā)極化電位ip(時(shí)域和頻域)、可控源音頻大地電磁csamt(標(biāo)量、矢量、張量)等的測(cè)量，測(cè)量的參數(shù)主要有電場(chǎng)和磁場(chǎng)。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(jī)，具有豐富的存儲(chǔ)資源和接口，易于集成外圍器件，子站作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同的測(cè)量功能布置在探測(cè)區(qū)域的各個(gè)測(cè)點(diǎn)上。采用高性能ieee802.15.4/zigbee兼容射頻芯片cc2420作為無(wú)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(shí)現(xiàn)互連互通，可工作于2.4g 免授權(quán)頻段，支持16個(gè)最大傳輸速率為250kbps 的信道；同時(shí)采用了dsss技術(shù)，具有極強(qiáng)的抗干擾性；內(nèi)置收發(fā)射頻開(kāi)關(guān)，硬件mac加密(aes-128)，支持?jǐn)?shù)字rssi/lqi，與處理器的接口較為簡(jiǎn)單，在業(yè)界處于領(lǐng)先水平。子站的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

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(tái)，基站采用pc104嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)，該平臺(tái)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(kāi)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。

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(tái)筆記本電腦作為上位機(jī)，起任務(wù)管理平臺(tái)的作用，上位機(jī)通過(guò)向基站發(fā)命令信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組建、管理和檢測(cè)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理?？紤]到分布式電磁探測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建并不復(fù)雜，測(cè)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(wèn)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)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(lái)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(duì)于固定的傳感器節(jié)點(diǎn)，可采用手動(dòng)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)間通過(guò)通信協(xié)議組織。本系統(tǒng)采用自組織的拓?fù)浞绞健?br />
　　(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(dòng)模式、查詢(xún)驅(qū)動(dòng)模式和混合模式。如緊急預(yù)防系統(tǒng)當(dāng)監(jiān)測(cè)到緊急情況時(shí)，必須主動(dòng)發(fā)送事件至管理平臺(tái)。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(dòng)返回?cái)?shù)據(jù)。這里采用了事件驅(qū)動(dòng)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(diǎn)距離標(biāo)準(zhǔn)，有多跳和單跳路由，無(wú)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(kāi)銷(xiāo)較大。在分布式電磁探測(cè)系統(tǒng)中由于不同的勘探方法使測(cè)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(wú)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。

圖4 幀格式

　　各字段含義如下：

　　類(lèi)型表明數(shù)據(jù)包為哪種幀，一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。

　　廣播字段表示該幀是否為廣播幀或是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)幀，占一個(gè)bit位。

　　 源地址表示該幀來(lái)自的節(jié)點(diǎn)，其值為該節(jié)點(diǎn)的序號(hào)，一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。

　　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(zhǎng)度。

　　長(zhǎng)度表示該幀的總長(zhǎng)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(zhǎng)度。

　　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(zhǎng)度。

　　數(shù)據(jù)部分根據(jù)幀類(lèi)型不同內(nèi)容、長(zhǎng)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(lèi)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(jì)

　　(1)通信機(jī)制。本系統(tǒng)中上位機(jī)通過(guò)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(zhǎng)；對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，通信距離越大、數(shù)據(jù)包越長(zhǎng)、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(guò)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(jì)。子站程序負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并做簡(jiǎn)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(lái)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(kāi)始循環(huán)運(yùn)行。當(dāng)沒(méi)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。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程

　　(3)基站程序設(shè)計(jì)?；境绦虻墓δ苤饕墙邮丈衔粰C(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(duì)子站節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令信息，啟動(dòng)子站執(zhí)行探測(cè)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。

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(lái)實(shí)現(xiàn)分布式探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

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(lái)勘查各類(lèi)金屬礦產(chǎn)，特別是對(duì)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(duì)已知的目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)，并與在同一條件下用美國(guó)zonge公司的gdp-32⒍喙δ艿綬ㄒ遣飭拷峁進(jìn)行比對(duì)，測(cè)量曲線對(duì)比圖參見(jiàn)圖7所示。實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)如下：

　　探測(cè)方法：時(shí)域激發(fā)極化法；
　
　　測(cè)量參數(shù)：一次電位δu1、二次電位δu2；
　
　　計(jì)算參數(shù)：視極化率ρ，ρ=δu1/δu2×100%；
　
　　測(cè)量方式：主剖面法；
　
　　裝置類(lèi)型：偶極－偶極。

圖7 測(cè)量對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)
　
　　本文把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于分布式電磁探測(cè)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(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸有效解決電磁勘探工作野外實(shí)驗(yàn)布線難的問(wèn)題，提高了野外工作效率。目前還沒(méi)有看到國(guó)內(nèi)有關(guān)多功能電法儀器利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)的應(yīng)用。
　
　　分布式電磁探測(cè)系統(tǒng)具有多種測(cè)量功能，在一些復(fù)雜的電磁測(cè)量中(如csamt)，由于探測(cè)區(qū)域大、測(cè)點(diǎn)多、影響因素難于估計(jì)，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)組建和管理的要求會(huì)更高，需要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和技術(shù)進(jìn)一步深入研究，在相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)上還要做大量工作。