无线传感器网络在地震监测方面的应用 PPT课件

黄磊 陈相兆 无线传感器网络在地震监测方面的应用 主要内容 一 无线传感器网络 WirelessSensorNetworks 介绍 二 无线传感器网络 WSN 在地震监测 EM 中的应用 CompanyLogo 2 无线传感器网络 WSN 特点 关键技术 CompanyLogo 3 无线传感器网络的基本概念 传感器是集传感与控制能力 计算能力 无线通信能力于一体的嵌入式设备WSN是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式形成一个多跳的自组网络系统 其目的是协作感知 采集 处理网络覆盖区域中的感知信息 并发送给监控中心三要素 传感器 感知对象 观测者WSN是嵌入式计算技术 无线通信技术 传感技术的交叉结合 CompanyLogo 4 无线传感器网络体系结构 图1无线传感器网络体系结构 CompanyLogo 5 无线传感器节点结构 通常使用微型电池 无线传感器节点具有观测半径和通信半径 一般 图2无线传感器节点结构 CompanyLogo 6 无线传感器网络协议栈结构 物理层 提供信号的调制与无线收发术 数据链路层 负责数据成帧 帧的检测 媒体访问 差错控制 网络层 负责路由生成和选择 传输层 负责数据流的传输控制 端到端的数据完整性 保证通信服务质量 应用层 通常由应用层软件实现 能量管理平台 管理节点如何使用能源 移动管理平台 检测并注册传感器节点的移动 维护和汇聚节点的路由 任务管理平台 平衡和调度检测任务 无线传感器网络的路由协议 基于聚簇的路由协议 基于地理位置的路由协议 能量感知路由协议 以数据为中心的路由协议 容错路由协议 图3无线传感器网络协议栈结构 CompanyLogo 7 无线传感器网络特点 网络规模通常较大由于感知节点的通信 传感半径有限 为了获得更多更准确的信息 须在监测区域随机或者固定放置很多传感器节点 使其具有更大的冗余性 提高检测的准确性网络通常具有自组织能力 中传感器节点的位置一般是无法预知的 通信时依靠自身的协议和拓扑机制自动对网络进行协调和配置网络具有多跳路由能力节点通信时节点不能直接一跳到达终端节点 通常需要中间节点进行多跳转发网络拓扑结构具有动态变化性由于传感器节点的硬件故障 位置变化 电能的耗尽使网络拓扑结构变化 要求 具有动态性和自适应性电量 硬件资源和计算能力有限传感器节点是小型嵌入式设备 网络通常以数据为中心因特网是以地址为中心的网络 但 中用户不关心哪些节点返回了数据信息 也不关心哪些节点参与了信息的处理和转发 只需要得到关心的数据信息网络具有高可靠性传感器节点的坚固性 不易破坏性 网络通信的安全性 保密性 网络中的软硬件的容错性等等网路与应用相关传感器节点与物质世界具有很大的相关系 CompanyLogo 8 无线传感器网络的核心技术 无线传感器网络的节点集成技术要求传感节点体积越来越小无线传感器网络的拓扑结构控制技术好的网络拓扑结构有利于目标定位 数据融合 时间同步 节省能量 延长节点生存周期无线传感器网络的路由协议技好的路由协议有利于节点的节能 通信服务质量和安全的提高 无线传感器网络的定位技术确定节点和事发生件的位置无线传感器网络的数据融合和管理技术无线传感器网络是以数据为中心的无线传感器网络的节能技术无线传感器网络节点通常采用电池供电 为了延长电池的使用时间 使节点能够持续工作 对电池能量进行有效管理 在不使用节点的情况下使节点尽可能处于休眠状态 CompanyLogo 9 无线传感器网络的应用 军事应用2002年美国Sandia国家实验室开发的预防生化武器的地铁环境传感器网络检测系统环境预报和监测监视农作物灌溉情况 土壤空气情况 气象和地理研究医疗护理病人身上安装特殊用途的传感器节点 监测人体的各种生理数据智能家居家电中嵌入传感器节点 并将无线传感器网络和因特网连接在一起 实时远程监控建筑物状态监控利用传感器无线网络来对建筑物的安全状态进行监测地震监控利用无线传感器网络对地震进行实时监控并预警 CompanyLogo 10 主要内容 二 无线传感器网络 WSN 在地震监测 EM 中的应用 一 无线传感器网络 WirelessSensorNetworks 介绍 CompanyLogo 11 地震监测 地震监测 指通过获取地震发生时的震动信号 以有线或无线方式将获取的监测信息传送到监控中心 通过对数据的分析 进行相应的监控和预警 地震监测分类 有线地震监控网络有线网络是重要的信息传输方式 但有线网络无法有效地对一些人力难以到达的恶劣环境地区进行地震监测 而且在应急情况下有线网络往往容易被破坏 无法传送余震的监测信息 无线地震监控网络无线传感器网络相对于传统的有线和其它无线网络 具有自组织 自愈合 的特点 因而能够适应复杂多变的环境 去监测各种有线网络无法有效监测的地区 实现灾难预警与救助 CompanyLogo 12 基于无线传感器网络的地震监测系统的结构 和一般无线传感器网络体系结构差不多 只是传感器节点是地震中的强震仪 地震监测的无线传感器网络系统结构主要包括 复杂环境下的地震监测网络 实时采集数据 预处理 远程传输网络 传输数据 远程监控中心 处理数据 实时监控 其中关键部分是地震监测的无线传感器网络 图4基于无线传感器网络的地震监测系统结构 CompanyLogo 13 基于无线传感器网络的地震监测系统工作过程 大量传感器节点按一定布点规则分布于复杂环境下需要监测的区域 通过自组织方式构成网络以进行上述各种参量的数据采集 预处理等工作 将传感器节点将采集到的数据单跳传递给簇头节点 簇头节点逐跳传输 经过单跳或多跳后到达网关节点 由网关节点通过卫星 公共移动通信网络 GSM CDMA等 WLAN等远程传输网络 传送到地震监控中心进行集中处理和预警 CompanyLogo 14 强震仪 strongmotionseismograph 是记录强烈地震近地面运动的自动触发式地震仪 一般由拾震系统 记录系统 触发 起动系统 时标系统和电源系统五部分构成 拾震系统通常采用三个拾震器 一个测量竖向运动 另两个测量互相垂直的水平向运动 记录系统是把拾震器相对于仪器底座的运动信号固定下来 可分为直接记录和非直接记录两种 触发 起动系统是强震仪中控制仪器起动和停止的一套装置 时标系统是为精确反映测点运动与时间关系的记录时间坐标装置 由一套周期脉冲信号系统提供 电源系统是保证整套仪器正常运转的能源 一般由直流电源提供 强震仪种类 按记录物理量可分为强震位移仪 强震速度仪和强震加速度仪 按记录方式可分为直接记录式 机械记录式和光记录式 电流记录式 磁带记录式 模拟磁带记录式和数字磁带记录式 按记录线道数 可分为三分量强震仪和多道 中心记录 强震仪 传感器节点 强震仪 CompanyLogo 15 强震仪的选择 在传感器方面 监测节点上集成两种类型的传感器 一种是硅加速度计 能够高精度获取地震时产生的横波 纵波 面加速度等参量 另外一种是GPS测量仪 测量观测点的精确地理位置与地震产生的地面上下起伏造成的隆起以及由于断层走滑形成的平面位移 以厘米级精度记录地震过程中观测点在三维空间的位移 图5强震仪 CompanyLogo 16 无线传感器节点的硬件结构设计 传感器节点是网络的基本单元 承担着计算 存储 通信以及传感或执行任务 在本地震监测系统中主要实现横波 纵波 面加速度 地理位置 平面位移等地震相关参量的采集和无线收发等功能 无线传感器节点硬件部分包括微功耗处理器模块 无线收发模块 数据采集模块 电源等部分 其系统框图如图2所示 处理器和无线收发模块是节点的两个关键模块 该节点的硬件设计综合考虑了功耗和性能等诸多方面 采用了超低功耗处理器MSP430F2618和性能更好的和工作在ISM自由频段的射频芯片CC2520 节点微控制器模块用来实现节点设备控制 任务调度 能量计算 功能协调等功能 CC2520无线收发模块是2 4GHz免授权ISM频带专用的第二代ZigBee IEEE802 15 4无线射频收发器 该收发器支持帧处理 数据缓冲 突发传输 数据加密 数据鉴权 空闲频道检测 连接质量指示以及帧定时信息等 从而降低了主控制器的负载 传感器数据采集模块用来进行信号的接收 转换 电源模块为传感器节点提供必要的能量 图6无线传感器节点模块 CompanyLogo 17 地震监测的无线传感器器网络节点软件系统设计 基于无线传感器网络的地震监控系统的软件 主要包括数据采集与处理 数据的收发与转发 监控中心的数据管理 WEB浏览等几部分 分为节点软件 监控中心管理软件 WEB浏览 节点软件 数据采集软件 数据处理软件 数据融合软件 数据收发与转发软件 监控中心管理软件 把接收到的数据进行解析显示 处理 数据库存取等操作 远程WEB浏览 主要是通过远程的方式调用数据库中的数据来对监控区域中的数据进行处理 CompanyLogo 18 地震监测的无线传感器器网络节点软件系统设计 图7软件结构流程框架 CompanyLogo 19 节点软件 节点软件的主要功能包括数据采集与处理 信息无线收发 节点互定位功能等 由于基于无线传感器网络的地震监测是用于复杂环境下的 节点所处的位置大多分布在环境比较恶劣的地方 所以除了要从硬件方面着手考虑节能的问题 也要从软件上做到能量优化以为了延长节点的工作寿命 如左图所示 无线传感器网络节点上的软件主要包括由嵌入式操作系统以及相应的应用程序 操作系统不仅控制和保护对资源的访问 管理不同用户的配置 支持多进程的并行运行和通信 而且要求支持能量消耗监控 图8节点软件