無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用摘要針對(duì)傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)難以有效進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分析了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，介紹了所設(shè)計(jì)的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件組成、適合的路由協(xié)議和MAC層協(xié)議以及通信方式。適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，監(jiān)測(cè)各種有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法有效監(jiān)測(cè)的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)難預(yù)警與救助。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 地震監(jiān)測(cè) 路由協(xié)議 MAC層協(xié)議1、緒論地震監(jiān)測(cè)是防震減災(zāi)、地震科學(xué)研究的必要技術(shù)基礎(chǔ)，目前，國(guó)內(nèi)外的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍處于初級(jí)階段，不能滿足地震預(yù)警的要求，存在漏報(bào)、誤報(bào)、遲報(bào)現(xiàn)象，例如監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)密度低、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度低、信息不豐富、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、成本高等。通過(guò)使用由大量互

2、連的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)不同環(huán)境進(jìn)行不間斷的高精度數(shù)據(jù)搜集。采用低功耗的無(wú)線通信模塊和無(wú)線通信協(xié)議可以使傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，其最明顯的特色可以用六個(gè)字來(lái)概括即：“自組織，自愈合”。這些特點(diǎn)使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，去監(jiān)測(cè)人力難以到達(dá)的惡劣環(huán)境地區(qū)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小巧,不需現(xiàn)場(chǎng)拉線供電，非常方便在應(yīng)急情況下進(jìn)行靈活部署監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生情況。2、傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是最近幾年興起的技術(shù)，在地震監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用研究也剛剛開(kāi)始。本文以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合GPRS通信技

3、術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震監(jiān)測(cè)區(qū)域的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的預(yù)警預(yù)報(bào)。傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，承擔(dān)著計(jì)算、存儲(chǔ)、通信以及傳感或執(zhí)行任務(wù)，在本地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)橫波、縱波、面加速度、地理位置、平面位移等地震相關(guān)參量的采集和無(wú)線收發(fā)等功能。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要功能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，傳感器節(jié)點(diǎn)主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)控制、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，處理器模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制操作，處理、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)

4、自身傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)和由其他節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，無(wú)線通信模塊主要是負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)或者基站進(jìn)行無(wú)線的通信、交流和交換控制信息，以及接收和轉(zhuǎn)發(fā)采集來(lái)的數(shù)據(jù)，能量供應(yīng)模塊主要是為傳感器節(jié)點(diǎn)提供正常工作所需的能量，能夠保證系統(tǒng)的正常有效的運(yùn)行，一般使用的是微型電池。地震檢波器是用于地質(zhì)勘探和工程測(cè)量的專用傳感器，是一種將地面振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器，能把地震波引起的地面震動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、運(yùn)算處理。加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，典型應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦、步程計(jì)和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。本設(shè)計(jì)采用Freescale公司的MMA7455L來(lái)實(shí)現(xiàn)地

5、震檢波器測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，其具有信號(hào)調(diào)理、溫度補(bǔ)償、自測(cè)，以及可配置到檢測(cè)0g或脈沖檢測(cè)快速運(yùn)動(dòng)等功能，產(chǎn)品具有功耗低、精度高、速度快的特點(diǎn)。3、路由協(xié)議3、1地震監(jiān)測(cè)中的路由協(xié)議的要求網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，分布范圍廣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性要求高。地震監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布范圍非常廣，而且地形環(huán)境復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)電池的更換或能量的補(bǔ)給幾乎是不可能的，因此網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少能量消耗，以延長(zhǎng)自身的壽命，能源的高效使用成為路由協(xié)議設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。地震發(fā)生的概率非常低，而且地震的發(fā)生具有隨機(jī)性，是不可預(yù)測(cè)的，因此傳統(tǒng)的時(shí)間周期性傳遞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的路由協(xié)議不太合適，這里需要的是事件驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)。地震未發(fā)生時(shí)，只需要周期

6、性地傳輸少量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)健康狀況數(shù)據(jù)，只有地震發(fā)生時(shí)才需要傳輸大量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時(shí)地震發(fā)生時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)及時(shí)性、可靠性有一定的要求，大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要及時(shí)、可靠地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。地震監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)由于能量耗盡或地震破壞等環(huán)境因素造成失效減少，或者也會(huì)補(bǔ)充一些傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度等，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之也動(dòng)態(tài)變化。這就要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的自組織性，能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。3.2路由協(xié)議的選擇及原因根據(jù)地震實(shí)時(shí)發(fā)生的特性，我們選擇了APTEEN協(xié)議，APTEEN (Adaptive Periodic Threshold-sensitiv

7、e Energy Efficient sensor Network protocol)是一種混合協(xié)議，兼有主動(dòng)和響應(yīng)兩種類型的數(shù)據(jù)傳輸模式，可以根據(jù)用戶需要和應(yīng)用類型來(lái)設(shè)定TEEN協(xié)議的周朝性和軟、硬門限的值，既可以周期性采集地震波轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)又可以對(duì)地震做出快速響應(yīng)。APTEEN隨著簇首節(jié)點(diǎn)的確定，簇首節(jié)點(diǎn)向簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)廣播屬性，閥值，調(diào)度方式計(jì)數(shù)時(shí)間。APTEEN為每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)定義一個(gè)計(jì)時(shí)器并設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間超時(shí)并且在此段時(shí)間內(nèi)仍然沒(méi)有數(shù)據(jù)上報(bào)給簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，則會(huì)強(qiáng)行該節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，且不論其數(shù)據(jù)是否滿足兩個(gè)門限，都將數(shù)據(jù)上報(bào)給簇頭節(jié)點(diǎn)。APTEEN可以支持3種不同的查詢類型

8、，包括分析過(guò)去數(shù)據(jù)的歷史性查詢，快速瀏覽網(wǎng)絡(luò)的一次性查詢和在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)監(jiān)控某一事件的連續(xù)查詢。LEACH假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)都能直接與簇首以及基站通信，在需要監(jiān)測(cè)范圍大的應(yīng)用中不適用；而且它僅僅以節(jié)點(diǎn)的剩余能量多少選擇簇首，形成的簇并不是最優(yōu)的。LEACH-C健壯性好且產(chǎn)生的簇較佳，但該協(xié)議由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要向基站周期性地報(bào)告它們的能量和位置等信息，從而導(dǎo)致增加網(wǎng)絡(luò)流量、時(shí)間延遲等。TEEN是第一個(gè)響應(yīng)型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與LEACH類似，只是它的簇成員不像LEACH算法那樣總是發(fā)送數(shù)據(jù)給簇首。TEEN協(xié)議設(shè)置了硬、軟兩個(gè)閥值，只有當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)硬閾值并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度

9、大于軟閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)才會(huì)傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這樣可以大大減少節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)，數(shù)據(jù)傳送消耗的能量較少。但TEEN協(xié)議存在一個(gè)缺陷，如果閥值不能達(dá)到，節(jié)點(diǎn)就不會(huì)傳輸任何數(shù)據(jù)，導(dǎo)致用戶在某段時(shí)間不知道節(jié)點(diǎn)是否死亡。在能量分布和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的指標(biāo)上，TEEN和APTEEN的性能都要優(yōu)于LEACH協(xié)議，TEEN 的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性采集，如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到相關(guān)閾值，那么節(jié)點(diǎn)就不會(huì)與簇頭進(jìn)行通信，用戶也就完全得不到網(wǎng)絡(luò)的任何數(shù)據(jù)。APTEEN 協(xié)議在TEEN 的基礎(chǔ)上面加入了對(duì)周期性事件報(bào)告的支持。APTEEN獲得了較好的性能的指標(biāo),APTEEN很好地減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量，提高了網(wǎng)絡(luò)利用率和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)

10、間。3.3工作過(guò)程：傳感器節(jié)點(diǎn)采用以下工作過(guò)程：讀取傳感器的值，并把該值和設(shè)定的閾值相比較，當(dāng)小于閾值時(shí)，就以30s 為周期循環(huán)采集監(jiān)測(cè)值；當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，就回傳至監(jiān)測(cè)管理中心并報(bào)警。為了減少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量并能準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)地震監(jiān)測(cè)進(jìn)行預(yù)報(bào)，只有當(dāng)測(cè)得的傳感器值達(dá)到閾值的34 時(shí)，才通過(guò)多跳路由對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并最終通過(guò)GPRS 網(wǎng)關(guān)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。4、MAC層設(shè)計(jì)4.1 MAC協(xié)議分析競(jìng)爭(zhēng)型 MAC 協(xié)議能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的變化，能靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，無(wú)需精確的時(shí)鐘同步機(jī)制，較易實(shí)現(xiàn)。但是存在能量效率不高的缺點(diǎn)，如沖 突重傳、空閑監(jiān)聽(tīng)、串?dāng)_、控制開(kāi)銷引起的能量損耗

11、。對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)型的 MAC 協(xié)議，一般情況下所有節(jié)點(diǎn)都共享一個(gè)普通信道。比如SMAC 協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)協(xié)同進(jìn)行周期性監(jiān)聽(tīng)和睡眠的狀態(tài)切換，確保節(jié)點(diǎn)能同步進(jìn)行監(jiān) 聽(tīng)和睡眠調(diào)度，而不是各個(gè)節(jié)點(diǎn)自發(fā)進(jìn)行隨機(jī)的睡眠和監(jiān)聽(tīng)，周期性監(jiān)聽(tīng)和睡眠的時(shí)間之和為一個(gè)調(diào)度周期。分配型 MAC 協(xié)議將信道資源按時(shí)隙、頻段或碼型分為多個(gè)子信道，各子信道之間無(wú)沖突，互不干擾。數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。4.2MAC協(xié)議的選擇SMACS 協(xié)議是一種分布式協(xié)議，允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)集發(fā)現(xiàn)鄰居并進(jìn)行收發(fā)信道的分配，不需要全局節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行分配。為了實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制，SMACS 協(xié)議將鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配進(jìn)行了組合。SMACS 協(xié)

12、議在發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在鏈路后立即分配信道，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都發(fā)現(xiàn)鄰居后這些節(jié)點(diǎn)就組成一個(gè)互連的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)兩兩之間至少存在一個(gè)多跳路徑。由于鄰近節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙有可能產(chǎn)生沖突，為了減少?zèng)_突的可能性，每個(gè)鏈路都分配一個(gè)隨機(jī)選擇的頻點(diǎn)，相鄰鏈路都有不同的工作頻點(diǎn)。從這點(diǎn)上來(lái)講，SMACS 協(xié)議結(jié)合了 TDMA、FDMA 的基本思想。當(dāng)鏈路建立后，節(jié)點(diǎn)在分配的時(shí)隙中打開(kāi)射頻部分，與鄰居進(jìn)行通信，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)收發(fā)，則關(guān)閉射 頻部分進(jìn)行睡眠；在其余時(shí)隙節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻部分，降低能量損耗。此外，如 TDMA，節(jié)點(diǎn)只在分配給自己的時(shí)隙中打開(kāi)射頻部分，其它時(shí)隙關(guān)閉射頻部分，避免了冗余接收，進(jìn)一步降低了能量損耗。但是

13、分配型 MAC 協(xié)議通常需要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)形成簇，不能靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。SMACS 提出了一種 TDMA/FDMA 結(jié)合的信道分配機(jī)制，該協(xié)議不需要集中控制的算法，可用來(lái)建立一種平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)為每對(duì)時(shí)隙分配隨機(jī)的載波頻率，SMACS 協(xié)議避免了全局時(shí)間同步，減少了復(fù)雜性。通過(guò)在超幀未分配的時(shí)隙進(jìn)行睡眠，SMACS 協(xié)議減少了空閑監(jiān)聽(tīng)和串?dāng)_，提供了較好的能量效率。此外，TRAMA具有較高吞吐量及較好的節(jié)能效果，但是它的時(shí)延比較大，不適合地震監(jiān)測(cè)，因此，我們選擇了SMACS，無(wú)需全局范圍內(nèi)的時(shí)間同步，避免沖突，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。5、通信方式GPRS網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收各無(wú)線監(jiān)測(cè)電路發(fā)回的數(shù)據(jù)及

14、狀態(tài)信息，綜合處理后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測(cè)站，并可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接收控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給各無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)站采用36V高能電池供電，并具有太陽(yáng)能充電功能，可長(zhǎng)期工作。GPRS(GeneralPacket Radio Service，通用無(wú)線分組業(yè)務(wù))作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM向第三代移動(dòng)通信(3G)的過(guò)渡技術(shù)。GPRS不但具有GSM通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量高，而且還具有分組傳輸數(shù)據(jù)傳輸快、信道利用率高等優(yōu)點(diǎn)，另外它支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通，因此特別適合中低速率的環(huán)境監(jiān)測(cè)及監(jiān)控領(lǐng)域，比如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的監(jiān)測(cè)與控制?；贕PRS 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信

15、系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)的GPRS 數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供GPRS 網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集模塊位于各個(gè)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng), 由于移動(dòng)公司的通信范圍已覆蓋我國(guó)的絕大部分地區(qū), 各數(shù)據(jù)采集模塊可分散地安裝在各種復(fù)雜的地理環(huán)境中而不必考慮線路鋪設(shè)等復(fù)雜的問(wèn)題。GPRS 網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)交換的橋梁。數(shù)據(jù)采集模塊與測(cè)量?jī)x表進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, 將測(cè)量?jī)x表產(chǎn)生的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)基站實(shí)時(shí)發(fā)送到GPRS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的GGSN服務(wù)器, GGSN 分配給GPRS 數(shù)據(jù)采集終端相應(yīng)的IP 地址, 從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集終端與Internet 的連接, 再通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到位于監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。GPRS 模塊可以是始終在線的, 因此位于監(jiān)控中心的工作人員可以實(shí)時(shí)了解到終端設(shè)備的工作情況并做出相應(yīng)的工作指示。6、結(jié)束語(yǔ)本文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。建立一套既具有先進(jìn)