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无线网络传感器系统在地质灾害监测中的应用

作者:吴悦 任晨虹 杨卓静 时间:2011-09-27来源:电子产品世界

  近年来我国地质灾害的发生频率越来越高,由此造成的损失也逐年加剧,对地质灾害进行监测的仪器研制工作就显得非常重要。目前已经研制并应用的监测仪器主要是通过线缆连接前端的,这种方式的主要缺点是架线比较困难、同时连接的数量有限,不适合地形复杂、要求监测点多的地质环境。本文提出的系统,针对地质灾害监测的应用环境,在物理层和MAC层采用了IEEE802.15.4协议,在网络层采用了ZigBee协议,进行了降低功耗和简化路由算法的工作,有效的增加了数量,相对于有线方式具有很大的优越性。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/123972.htm

  系统

  系统由节点、基站节点、监控中心组成。节点都具有路由功能,它们与基站节点按照簇树的分层结构自治地组成网络。节点对灾害体变形位移量等进行采集,采集的数据经过处理后,沿着自身优化的路由算法路径传送到基站节点,基站节点汇聚各个节点采集的数据并进行数据融合,通过GPRS网络最终到达监控中心,无线网络体系结构如图1所示。

  

 

  

 

  节点受到存储容量有限、计算能力有限、电源能量有限等诸多条件的限制;基站节点连接网络和外部网络,负责不同协议之间的转换和数据融合工作,实质上起到了一个网关的作用;监控中心对整个网络进行管理,获取监测区域的多种灾害体实时信息。

  硬件系统设计

  本系统硬件部分包括节点和基站节点,由于功能不同,它们的硬件结构是有区别的。

  节点

  节点由数据采集处理单元、无线通信单元与供电单元构成,硬件原理框图如图2所示,位移采用了高精度的线性电阻,可以保持1mm的测量精度;数据采集处理单元选用了Atmel公司的ATmegal1281处理器,它具有功耗低和集成度高的特点,内置AD转换器,完成数据采集的工作。

  无线通信单元采用了Atmel公司的AT86RF212芯片,它工作在780MHz(IEEE 802.15.4C)的中国WPAN频段,适用于IEEE 802.15.4与Zigbee标准,支持IEEE 802.15.4、Zigbee协议栈,接收灵敏度可达-110dBm,AT86RF212的外围电路如图3所示。ATmegal1281通过SPI接口与AT86RF212相连,完成数据的发送与命令的接收任务。

  供电单元依靠外部的3.6V锂电池为以上的各个部分提供电源,数据采集处理单元和无线通信单元需要3.3V供电,可以直接通过电池提供;位移需要5V供电,需要通过DC-DC模块把3.3V升压为5V。考虑到节能需要,只是在采集的时间点给供电,在睡眠期通过MOSFET模块把这部分供电切断以节约电池的电量。

  基站节点

  基站节点不需要具有数据采集的功能,但是需要连接网络与GPRS网络,负责接收监控中心下发的命令(定时采集间隔等)、接收节点的请求与数据,具有网络协调、数据融合、下发命令、上传数据等功能。主要由处理单元、无线通信单元、GPRS单元、供电单元构成,硬件原理框图如图4所示,供电单元采用外部DC电源,以保证给基站节点的持续供电。



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