近年來我國地質災害的發生頻率越來越高，由此造成的損失也逐年加劇，對地質災害進行監測的儀器研制工作就顯得非常重要。目前已經研制并應用的監測儀器主要是通過線纜連接前端的傳感器，這種方式的主要缺點是架線比較困難、同時連接的傳感器數量有限，不適合地形復雜、要求監測點多的地質環境。本文提出的無線網絡傳感器系統，針對地質災害監測的應用環境，在物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4協議，在網絡層采用了ZigBee協議，進行了降低功耗和簡化路由算法的工作，有效的增加了傳感器數量，相對于有線方式具有很大的優越性。

?

無線網絡傳感器系統

無線網絡傳感器系統由傳感器節點、基站節點、監控中心組成。傳感器節點都具有路由功能，它們與基站節點按照簇樹的分層結構自治地組成網絡。傳感器節點對災害體變形位移量等進行采集，采集的數據經過處理后，沿著自身優化的路由算法路徑傳送到基站節點，基站節點匯聚各個傳感器節點采集的數據并進行數據融合，通過GPRS網絡最終到達監控中心。

?

傳感器節點受到存儲容量有限、計算能力有限、電源能量有限等諸多條件的限制；基站節點連接傳感器網絡和外部網絡，負責不同協議之間的轉換和數據融合工作，實質上起到了一個網關的作用；監控中心對整個網絡進行管理，獲取監測區域的多種災害體實時信息。

?

軟件系統設計

軟件系統包括系統的基本算法與各節點實現不同功能的程序設計。

無線網絡傳感器技術在各種無線網絡中具有明顯的特點，節點分布密集、數量眾多、自身能量有限、有自組織能力、網絡拓撲結構可以動態變化；新興的ZigBee技術正是針對這些特點而誕生的，它具有低功耗、自動路由、時延短、網絡容量大、安全性高等技術特長，目前還處于高速的發展完善中。

?

路由算法

進行地質災害監測的環境普遍比較險峻，如果頻繁地更換傳感器節點的電池則不太現實，傳感器節點的能耗考慮就被放在了首要的位置，整個系統的設計都是圍繞著這個中心點展開的。ZigBee規范支持三種網絡拓撲結構：星狀網、網狀網、簇樹狀網。星狀網通信范圍有限，所有傳感器節點都必須在基站節點覆蓋范圍內；網狀網任意兩個節點之間存在多條路徑，其發現的路徑是最優的，但是冗余度大，尤其是針對資源有限的傳感器節點；簇樹狀網采用分級路由策略傳送數據和控制消息，不用路由表，查詢速度快，但是如果關鍵路由節點癱瘓，那么相應區域就進入通信癱瘓狀態,同時路由路徑往往不是最優的。

?

程序流程

基站節點的主要作用是建立一個網絡、接受傳感器節點加入網絡、接收傳感器節點發送來的數據、處理數據并通過GPRS模塊把數據發送至監控中心。由于基站節點要運行2個以上的并行任務，在底層使用了μC/OS-II嵌入式操作系統，開機后建立了ZigBee任務和GPRS任務，ZigBee任務初始化后就建立一個網絡并進入監聽和等待狀態，收到傳感器節點的入網請求后向其發送包含時鐘時間的確認消息，建立連接，等待接收數據，數據接收成功后把數據轉交給GPRS任務的同時，把最新的時鐘時間回傳給發送者；GPRS任務初始化后按給定IP地址連接監控中心，連接成功后定時發送“心跳”數據包以保持數據鏈路，在接收到ZigBee任務轉發的數據后立即將其發送到監控中心。因為基站節點起到了網絡協調器的作用，需要持續監控網絡，所以一直處于正常工作模式。

基站節點程序流程圖

傳感器節點的作用是根據監控中心設定的時間定時被喚醒、加入網絡、采集數據、接受其它節點的入網請求、轉發數據等，出于節能和減少網絡復雜度的考慮，每一個傳感器節點都具有睡眠和路由功能。在待入網節點上電之后會首先發送廣播用于尋找附近的無線節點，如果當前有節點已經聯入網絡，則回復包含時鐘時間、路由級數、信號強度的數據包，該待入網節點將按照回復的時間設置睡眠時間、選定路由路徑并進入睡眠；如果沒有回復(附近節點沒有入網或已入網但處于睡眠狀態)，該待入節點只保留RF接收模塊處于工作；當附近入網節點醒來后進行采集和向基站節點發送數據的工作，如果成功都會發送包含時鐘時間、路由級數、信號強度的數據包詢問附近是否有待入網的節點存在，處于監聽狀態的待入網節點收到后會從中按照設定的路由機制選擇一個最優節點，并按照數據包的內容進入睡眠并按時喚醒。

傳感器節點程序流程圖

在標準的ZigBee網絡中，只有終端節點具有睡眠功能，路由節點才是正常工作的；從節省能量的角度考慮，路由節點加入了睡眠功能，這對時鐘時間的同步性提出了較高的要求。系統以基站節點的時鐘時間為基準，每一個節點在入網和發送數據后都要參考它進行同步，以保證路由功能的可靠性，考慮到無線收發具有的延遲性，每個節點睡醒后的工作時間為2秒，在這個時間段內按照目前設定的網絡規模可以保證各節點的時鐘時間可以保持同步。

?

隨著電子技術在軟硬件方面的快速發展，無線網絡傳感器技術的實用化已經全面鋪開，將其引入地質災害監測領域具有重要的現實意義。本文提出了一種新型的地質災害監測設計方案，結合ZigBee無線網絡技術、基于簇樹路由算法，構造了地質災害的無線多點監測，拓寬了監測面積，提高了信號傳輸效率，目前已經應用于大關縣示范區變形地質災害監測，具有極高的使用價值。