滑坡监测系统的无线传感器网络设计

引言

无线传感器网络诞生于20世纪70年代，经过30多年的发展，无线传感器网络的应用逐渐转向民用，在河流、森林的环境监测中，在建筑环境的智能化应用中，以及在一些无法放置有线传感器的工业环境中，都已经出现了它的身影。无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)系统在当前备受关注，综合了传感器技术、现代网络技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等。它是一种全新的信息获取技术，可实时采集监测区域内各对象的检测参数，并将这些数据发送到协调器节点，实现复杂监测区的目标检测与跟踪，并能够快速组网，而且拥有很强的抗毁性，因此其应用前景非常广泛。

1传输系统工作原理

1.1无线传感器网络的网络节点

无线传感器网络中数以千计的传感器节点被散布到监测区域内，节点相互之间以自组织的方式构成庞大的无线传感器网络。各节点之间通过协同去冗余的工作方式负责监测区域内的数据采集任务，然后采用多跳、中继等方式将信息传送到汇聚节点处，再由汇聚节点将信息集中传送至用户，以进行数据处理或对节点进行实时的控制或操作。图1所示是一个无线传感器网络的体系结构。

图1  无线传感器网络体系结构

由于无线传感器网络所处环境的影响，节点一般都是采用能量有限的电池进行供电，所以其数据存储和处理能力以及通信能力就会受到制约。从整个网络来看，每个传感器节点都具有网络节点和路由的双重“身份”，除了能完成数据采集和处理任务外，还能够将其他节点转发过来的数据信息进行存储、融合等处理。

1.2无线传感器的节点结构

作为网络基本组成单元的无线传感器节点结构如图2所示，该结构也叫测试节点结构，主要由数据采集、处理、无线传输和电源四个部分组成。数据采集单元由各种传感器对监测区域内待测对象的信息进行采集；数据处理单元实现数据的存储、处理分析等功能；无线传输模块负责节点间的通信和数据传输；能量模块负责对传感器节点进行能量供应。当然，根据需要还会有其他扩展的功能模块，如北斗传输模块等。

1.3无线传感器网络的选择

ZigBee无线传感器网络是基于IEEE802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络。传输距离为中短距离；传输速率低；通信可靠，采用碰撞避免机制，节点之间具有自动组网功能；短的时延，只有15~30ms；免收专利费的ZigBee协议大大降低了开发成本；自配置、自组网；大容量的网络，整个网络可达到64000个节点；通过工作和休眠模式实现长时间的监测。

ZigBee无线传感器网络由监控机、网关、路由节点和传感器节点4部分组成，图3所示是ZigBee网络的组成。据此，用户可以很方便地实现传感器网络的无线化和网络化。

2无线传感器系统硬件设计

2.1无线传感器核心控制器选择

本设计采用CC2530芯片作为数据采集模块的处理器。CC2530的优势在于其集成度高，可支持多种不同应用，价格低廉，支持多种协议，具有业界最佳的RF共存性以及选择性,在最小化干扰源影响的同时最大化稳健通信范围。CC2530模块可视通信距离最远可达400m（实测）。

CC2530芯片是一种集成度较高的芯片，其外围电路相对很简单，最小系统所需器件很少，所以用CC2530芯片进行无线传感器网络的设计就相对简单。

2.2网络节点的硬件组成

2.2.1传感器节点设计

每个传感器节点包含孔隙水压力传感器、土壤水分传感器与倾角传感器元件、检波器、CC2530无线传感器处理收发模块、接口处理采集板和电池组。

2.2.2网关节点设计

网关节点的硬件结构示意图如图4所示，网关节点也是由CC2530芯片构成，通过RS232连接TSS-0-03嵌入式北斗模块。另外，一个雨量计与网关节点连接，采集本地区的降雨量。网关节点将ZigBee网络采集到的数据进行缓存，并且定期将数据通过北斗卫星上传到监测中心，实现远距离通信。

图4  网关节点结构示意图

2.2.3路由节点设计

路由节点的硬件设计和传感器采集节点的结构差不多,只是没有接传感器，由电源、CC2530芯片和天线组成。在网关不能与所有的传感器节点通信时，它作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能。路由节点将来自传感器节点的数据传输到网关节点。当路由节点由于电池耗尽或故障,或是有新节点加入时，路由节点将重新选择路由链路。

3无线传感器系统软件设计

3.1网关节点程序设计

网关节点上电启动后，首先进行初始化，并自动建立了一个新的网络，这样其他节点上电后就可以自动加入到这个网络中。节点加入后给节点分配网络地址，然后对连接的北斗模块进行初始化。当收集到ZigBee网络传来的数据时进行ZigBee协议数据

解包放入缓存区，通过RS232传送数据到北斗模块，再由北斗

模块发送至监测中心。图5所示是网关节点的程序流程。

图5  网关节点程序流程图

3.2采集节点程序设计

传感器节点上电后，进行节点初始化并向网关节点发送入网请求，加入成功后，进入休眠状态。按设定的时间对滑坡参数进行采集，然后向网关发送采集数据。也可以接收来自网关的命令，按照命令进行相应的动作。图6为传感器节点的程序流程。

4结语

本文对滑坡监测系统的Zigbee无线传感器网络提出了设计方案，研究了面向滑坡监测的无线传感器网络节点，包括普通节点和网关节点，完成了滑坡参数的实时采集和传输，为推进我国滑坡监测工作的信息化、自动化与智能化提供了一种有效的新思路。

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