近年來我國地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率越來越高，由此造成的損失也逐年加劇，對地質(zhì)災(zāi)害進行監(jiān)測的儀器研制工作就顯得非常重要。目前已經(jīng)研制并應(yīng)用的監(jiān)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(shù)量有限，不適合地形復(fù)雜、要求監(jiān)測點多的地質(zhì)環(huán)境。本文提出的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)，針對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的應(yīng)用環(huán)境，在物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層采用了ZigBee協(xié)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(shù)量，相對于有線方式具有很大的優(yōu)越性。

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無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、基站節(jié)點、監(jiān)控中心組成。傳感器節(jié)點都具有路由功能，它們與基站節(jié)點按照簇樹的分層結(jié)構(gòu)自治地組成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點對災(zāi)害體變形位移量等進行采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，沿著自身優(yōu)化的路由算法路徑傳送到基站節(jié)點，基站節(jié)點匯聚各個傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)融合，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)最終到達監(jiān)控中心。

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傳感器節(jié)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(jié)點連接傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合工作，實質(zhì)上起到了一個網(wǎng)關(guān)的作用；監(jiān)控中心對整個網(wǎng)絡(luò)進行管理，獲取監(jiān)測區(qū)域的多種災(zāi)害體實時信息。

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軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)的基本算法與各節(jié)點實現(xiàn)不同功能的程序設(shè)計。

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)在各種無線網(wǎng)絡(luò)中具有明顯的特點，節(jié)點分布密集、數(shù)量眾多、自身能量有限、有自組織能力、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以動態(tài)變化；新興的ZigBee技術(shù)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(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高等技術(shù)特長，目前還處于高速的發(fā)展完善中。

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路由算法

進行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的環(huán)境普遍比較險峻，如果頻繁地更換傳感器節(jié)點的電池則不太現(xiàn)實，傳感器節(jié)點的能耗考慮就被放在了首要的位置，整個系統(tǒng)的設(shè)計都是圍繞著這個中心點展開的。ZigBee規(guī)范支持三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、簇樹狀網(wǎng)。星狀網(wǎng)通信范圍有限，所有傳感器節(jié)點都必須在基站節(jié)點覆蓋范圍內(nèi)；網(wǎng)狀網(wǎng)任意兩個節(jié)點之間存在多條路徑，其發(fā)現(xiàn)的路徑是最優(yōu)的，但是冗余度大，尤其是針對資源有限的傳感器節(jié)點；簇樹狀網(wǎng)采用分級路由策略傳送數(shù)據(jù)和控制消息，不用路由表，查詢速度快，但是如果關(guān)鍵路由節(jié)點癱瘓，那么相應(yīng)區(qū)域就進入通信癱瘓狀態(tài),同時路由路徑往往不是最優(yōu)的。

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程序流程

基站節(jié)點的主要作用是建立一個網(wǎng)絡(luò)、接受傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并通過GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心。由于基站節(jié)點要運行2個以上的并行任務(wù)，在底層使用了μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，開機后建立了ZigBee任務(wù)和GPRS任務(wù)，ZigBee任務(wù)初始化后就建立一個網(wǎng)絡(luò)并進入監(jiān)聽和等待狀態(tài)，收到傳感器節(jié)點的入網(wǎng)請求后向其發(fā)送包含時鐘時間的確認消息，建立連接，等待接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收成功后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給GPRS任務(wù)的同時，把最新的時鐘時間回傳給發(fā)送者；GPRS任務(wù)初始化后按給定IP地址連接監(jiān)控中心，連接成功后定時發(fā)送“心跳”數(shù)據(jù)包以保持數(shù)據(jù)鏈路，在接收到ZigBee任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后立即將其發(fā)送到監(jiān)控中心。因為基站節(jié)點起到了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的作用，需要持續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，所以一直處于正常工作模式。

基站節(jié)點程序流程圖

傳感器節(jié)點的作用是根據(jù)監(jiān)控中心設(shè)定的時間定時被喚醒、加入網(wǎng)絡(luò)、采集數(shù)據(jù)、接受其它節(jié)點的入網(wǎng)請求、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等，出于節(jié)能和減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的考慮，每一個傳感器節(jié)點都具有睡眠和路由功能。在待入網(wǎng)節(jié)點上電之后會首先發(fā)送廣播用于尋找附近的無線節(jié)點，如果當(dāng)前有節(jié)點已經(jīng)聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，則回復(fù)包含時鐘時間、路由級數(shù)、信號強度的數(shù)據(jù)包，該待入網(wǎng)節(jié)點將按照回復(fù)的時間設(shè)置睡眠時間、選定路由路徑并進入睡眠；如果沒有回復(fù)(附近節(jié)點沒有入網(wǎng)或已入網(wǎng)但處于睡眠狀態(tài))，該待入節(jié)點只保留RF接收模塊處于工作；當(dāng)附近入網(wǎng)節(jié)點醒來后進行采集和向基站節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的工作，如果成功都會發(fā)送包含時鐘時間、路由級數(shù)、信號強度的數(shù)據(jù)包詢問附近是否有待入網(wǎng)的節(jié)點存在，處于監(jiān)聽狀態(tài)的待入網(wǎng)節(jié)點收到后會從中按照設(shè)定的路由機制選擇一個最優(yōu)節(jié)點，并按照數(shù)據(jù)包的內(nèi)容進入睡眠并按時喚醒。

傳感器節(jié)點程序流程圖

在標準的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只有終端節(jié)點具有睡眠功能，路由節(jié)點才是正常工作的；從節(jié)省能量的角度考慮，路由節(jié)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(tǒng)以基站節(jié)點的時鐘時間為基準，每一個節(jié)點在入網(wǎng)和發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)具有的延遲性，每個節(jié)點睡醒后的工作時間為2秒，在這個時間段內(nèi)按照目前設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可以保證各節(jié)點的時鐘時間可以保持同步。

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隨著電子技術(shù)在軟硬件方面的快速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的實用化已經(jīng)全面鋪開，將其引入地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實意義。本文提出了一種新型的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)計方案，結(jié)合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基于簇樹路由算法，構(gòu)造了地質(zhì)災(zāi)害的無線多點監(jiān)測，拓寬了監(jiān)測面積，提高了信號傳輸效率，目前已經(jīng)應(yīng)用于大關(guān)縣示范區(qū)變形地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，具有極高的使用價值。