无线传感器网络地震监测.doc

基于ASP在线考试系统设计文章编号: 作者简介：李秋生（1984），男，河南开封，研究生，硕士. Email:无线传感器网络在地震监测中的应用研究苗自书 王晓东（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650093）摘 要：融多种信息技术为一体的无线传感器网络是一种新兴的信息技术，在信息领域有着广泛的应用前景。地震的破坏给人们生命财产带来了不可估计的巨大损失，探索无线传感器网络在地震监测中的应用，显得十分必要。本文结合现有成熟的移动通信网对无线传感器网络节点组网和系统应用进行了分析。关键词: 无线传感器网络；节点；ZigBee;地震中图分类号： 文献标识码：A Application of Wireless sensor networks in Earthquake Monitor System MIAO Zi-shu Wang Xiaodong(Kunming University of Information Engineering and Automation, Kunming, 650093, China)Abstract：As an emerging information technology, wireless sensor networks contained a variety of information technology will be widely applied in multiple aspects of information field in recent future .The earthquake happened frequently has brought a great unpredictable loss to lives and property of people . it is extremely necessary to explore the wireless sensor networks applications in earthquake monitoring .This paper mainly analyzes the network of wireless sensor networks the application of system.Keywords: wireless sensor networks; sensor; Zigbee; earthquake引言无线传感器网络是一种集通信、微电子、计算机、嵌入式、传感器、信息处理等技术为一体的的新兴的信息技术，是普适计算机的雏形，是人类感官的延伸。无线传感器网络是有大量传感器节点构成的以数据为中心的、自组织的、分布式网络，能够在恶劣环境下实时监测、协作感知、采集监测对象的信息，并以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给到数据中心。无线传感器网络在空间探测、军事国防、环境监测、工农业控制、医疗监护、智能家居、灾害预防等诸多领域有广泛的应用前景，它的应用将会为能给人人们提供最直接、最有效、最真实信息的下一代网络提供全新的经验。我国是个地震灾害十分严重的国家，玉树地震、汶川地震等频繁发生的地震灾害给人们的生命财产带来了无法估计的巨大损失。目前最新型、最先进的铁路地震预警系统为日本的紧急地震检测与预警系统。监测系统的监测能力、可靠性与台网的布设密度密切相关。以强震台覆盖密度为例，日本为1323台/万平方公里，美国为53台/万平方公里，我国只有0.3台/万平方公里。地震监测是地震预警系统中的关键。地震监测的地位举足轻重。未来，我国若要真正意义上通过监测实现地震预警，进行防震减灾，仍然任重道远。采用新的信息技术手段来提高监测的实时性、准确性成为必然。将无线传感器网络用于地震监测，积极探索新的监测方法是一个迫切的问题。目前，国内外出现的构造无线传感器网络的途径、节点的设计实现方法有多种，原理上相似，只是采用不同的微处理器或者不同的通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙技术以及UWB通信方式等。其中，ZigBee是新兴的具有自组网功能的Ad-Hoc网络，是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术。ZigBee的技术特性决定它是无线传感器网络的最好解决方案。下面将会针对具体的应用对无线传感器网络研究进行具体分析。1. 无线传感器网络的结构无线传感器网络是由大量随机分布的传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理并发送监控区域中感知对象的信息。感知、采集、处理和传送感知信息是无线传感器网络的基本功能。传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。图1无线传感器网络网络结构随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络,借助于节点中内置的传感器测量所在周边环境中的热、红外、和地震波信号等。节点通过其传感部件采集数据后，用其无线通信部件将处理后的数据通过一跳或多跳传多跳中继方式将监测数据送至汇聚节点。就目前而言，移动通信网已经很成熟，网络覆盖区域十分广泛，将移动通信网作为无线传感器网络接入网有成为必然。节点的布设可以参考移动基站的分布，其优点在于：（1）可以避免信号遮挡减小传输距离节省节点能量（2）针对传感节点的能量受限问题，移动基站的电源可以作为传感网络节点的充电电源，（3）基站机房安全性好有利于节点自身的安全免于破坏。网关设计采用事件触发传感器采集信息的方法，一旦传感器节点所在地区的物理信息超过了设定值，传感器节点立即向Sink节点发送信息，而网关也随即接收Sink节点发来的信息，经过分析处理后存入监控中心数据库中，以备用户查询。了解传感器节点所在区域的情况。2.网络系统硬件2.1 传输处理部分硬件CC2430是首款符合ZigBee标准的2.4GHz系统单芯片(System On Chip，SOC)，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端节点，芯片延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器，在休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9A，集成了定时器等大量的片上资源。无线传感器网络的Zigbee部分构建是采用CC2430芯片以及Figure 8 Wireless Zigbee Protocol Stack协议栈来实现的。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是业内最具盛名的协议栈之一。2.4GHz的ZigBee技术和433MHz的射频技术相结合的无线传感器网络实现方案。433 MHz射频部分选用CC1100射频芯片CC1100工作在433 MHz的频率上，采用2-FSK调制方式，数据速率为2.4kb/s，信道间隔为200 kHz。CC1100与单片机CC2430之间采用SPI接口连接。节点覆盖区域采用最新ZigBee解决方案，即CC2430芯片加Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack实现的ZigBee MESH网。在组网方式上，ZigBee主要采用3种拓扑结构：星形网(Star，包括点对点的拓扑结构)、簇树网(Cluster Tree)和网状网(Mesh)。星形网为主从结构，一个网络有一个网络协调者和最多可达65535个从属装置，网络协调器必须是FFD，由它来负责管理和维护网络；簇树网可以是扩展的单个星型网或互联的两个星型网络；网状网中的每一个FFD同时可作为路由器，根据AD Hoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。 图2 ZigBee网络的拓扑结构+ZigBee网络中包含协调器、路由器和终端节点3种设备，协调器又通过433 MHz射频技术组成一个星型网络，ZigBee网络中的节点可以将采集到的各种数据通过ZigBee网络传输到各自的协调器，协调器将数据汇总后，再通过433MHz射频技术传送到星型网汇集器，即整个系统的管理节点，然后通过GSM/GPRS技术，将采集数据最终传送到后台管理数据库，后台管理终端也可以下发系统的配置参数，如终端节点的睡眠时间以及数据采集周期等。据IEEE802.15.4规范，ZigBee采用直接序列扩频(DSSS)技术，工作在2.4GHz频段。系统中各种节点的硬件结构如图3所示。图3(a)是433 MHz星型网汇集节点硬件，通过SPI接口，控制CC1100，同时提供GSM/GPRS以及以太网接口用来连接到后台管理数据库。图3(b)是ZigBee网络协调器节点的硬件框图，该节点以CC2430为主控制器，既是ZigBee网络的协调器，同时也是433MHz射频星型网的子节点。图3(b)、图2(c)分别是ZigBee网络的路由器和终端节点的硬件框图，其中终端节点采用电池供电。图3系统中各种节点的硬件结构2.2传感器部分地震检波技术近年来取得较大进展，尤其是以MEMS技术为核心的数字检波技术，美国I/O公司和法国Sercel公司都相继推出了数字地震检波器，目前已进人野外实用阶段。MEMS数字检波器具有高精度、正交三分量、最小轴间串音和足够大的带宽等优点，非常适合作为矢量采集的检波器。矢量采集不仅可以获得多分量数据，而且可以利用全波场记录和矢量滤波压制P波数据的噪音和各种干扰。MEMS机械震动系统由质量体、弹簧、端盖、框架构成，质量体的两面镀有金属导电物，在端盖与质量体相对的面上也就是顶盖和底盖上也镀有金属，这样就形成了一个差动电容器，加上相应的电路就可以成为电容式加速度传感器。MEMS是由四片独立晶片组合而成为完整的微机械震动系统。根据目前微型加速度传感器的发展状况，采用的无线传感网常用的振动加速度传感器有以下几种：（1）CS-3LAS-02三轴加速度计是建造在硅晶片顶部的表面MEMS多晶硅结构。多晶硅簧片悬浮在晶片表面的结构，并提供一个克服加速度感应力的阻力。用包含两个独立的固定板和一个与运动质块相连的中央板形成的差动电容器机构来测量比例于加速度的多晶硅结构的偏转，从而产生电压输出信号。电压输出信号通过A/D转换到高精度的处理器，并进行相应的补偿后，通过数字接口输出。可用于地震监控、倾斜和振动加速度的测量等系统中。（2）Colibrys的MS9000惯性加速度传感器是一种新的超小型产品，适用于恶劣环境和耐用度要求极高的应用领域。这种换代产品采用了LCC20(8.9mm x 8.9mm)陶瓷封装，具有从2g到250g广泛的加速度测量范围。该传感器可在较大的温度范围应用时器件零位稳定保证在几mg以内。 它有低功耗、校准、功能强大和性能稳定的特点，主要用于振动测量与地震测量。对于传感器的布设，这里选择有移动基站的建筑物为监测对象，对其进行整体布设传感器进而形成立体的监测网络结构。传感器应该选用多种传感器测量综合分析，然后把传感器节点测得数据经过初步处理发送出去。3软件部分Zigbee协议栈能够确保无线设备在低成本、低功耗和低速率网络中的互操作性。Zigbee协议栈的不同层通过服务接入点进行通信，大多数层通过数据实体接口和管理实体接口实现。网络层主要用于建立和维护网络连接。它独立处理传入数据的请求、关联、解除关联和孤立通知请求。应用层主要为Zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对Zigbee技术进行开发应用。各层的头文件定义该层所支持的服务与应用程序接口。同时该平台还提供了一些应用接口，如aplFormNetwork（）、aplJoinNetwork（）、aplSendMSG（）等，用户可以通过调用这些函数来实现自己的开发与应用。Zigbee无线传感器网络协调器在进行一些初始化之后，调用aplFormNetwork（）来建立网络。协调器通过扫描一个空信道来建立一个新的网络，然后选择一个随机的PAN ID并开始*此信道。同时协调器还有一个目前连接设备的列表，以支持其他设备加入网络。部分代码如下：Main () halInit (); /硬件初始化aplInit (); /初始化协议栈模块ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT() ; /打开全局中断aplFormNetwork(); /建立网络while (apsBusy() apsFSM(); /等待网络建立成功while(1) apsFSM(); /运行协议栈同样，Zigbee路由器和终端设备通过aplJoinNetwork（）加入协调器建立的网络中。终端设备扫描信道找到协调器并申请加入网络，获取协调器的地址，同时将本设备的地址发送给协调器。网络加入成功后，终端设备则进入休眠状态，直到有数据发送时才被唤醒。部分代码如下：main() halInit(); /硬件初始化aplInit(); /初始化协议栈模块ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT(); /打开全局中断do aplJoinNetwork( ); /加入网络while(apsBusy)( )apsFSM( ); /等待加入网络成功while (aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS);while(1) apsFSM(); /运行协议栈6 结论与问题改进建立一套既具有先进性又具有实用性的地震加速度监测系统，完成对地震事件的检测、采集、触发与监控，为地震工程研究和防震减灾工作提供重要的基础资料。 通过实验数据分析了在不同环境下各种噪声对监测仪器的影响，以及对模数转换装置采集地震信号的灵敏度和稳定性进行了分析，并且通过控制中心对接收到的地震数据波形进行了分析和处理。实验结果表明，基于微型加速度传感器的地震加速度监测系统可以稳定工作，例如可以准确的检测、采集到地震信号，通过网络传输方式可以将数据传输到控制中心，控制中心也可以对数据进行存储，对波形进行分析。 研究结果表明，基于微型加速度传感器研制地震加速度监测系统在技术上是可行的，但由于目前国内传输技术、传输效率仍需要很大的提高，在数据传输方式上还可以有很多选择。在技术方案、软件处理等方面仍需要进一步改进和完善。在目前地震预测、预报还很不成熟的情况下，为了应对突发性和毁灭性的地震灾害，最大限度地降低损失，进行地震预警非常必要，也很有意义。地震P波不具破坏性，在地质媒介中的传播速度最高，高于S波、L波等，而电磁波的传播速度（30万km/s）远大于地震波速度（约10km/s）。地震预警技术就是利用P波和S波的速度差、电磁波和地震波的速度差。在地震发