发表于：2017/12/8 15:14:23
#0楼
近年来我国地质灾害的发生频率越来越高，由此造成的损失也逐年加剧，对地质灾害进行监测的仪器研制工作就显得非常重要。目前已经研制并应用的监测仪器主要是通过线缆连接前端的传感器，这种方式的主要缺点是架线比较困难、同时连接的传感器数量有限，不适合地形复杂、要求监测点多的地质环境。本文提出的无线网络传感器系统，针对地质灾害监测的应用环境，在物理层和MAC层采用了IEEE802.15.4协议，在网络层采用了ZigBee协议，进行了降低功耗和简化路由算法的工作，有效的增加了传感器数量，相对于有线方式具有很大的优越性。
无线网络传感器系统
无线网络传感器系统由传感器节点、基站节点、监控中心组成。传感器节点都具有路由功能，它们与基站节点按照簇树的分层结构自治地组成网络。传感器节点对灾害体变形位移量等进行采集，采集的数据经过处理后，沿着自身优化的路由算法路径传送到基站节点，基站节点汇聚各个传感器节点采集的数据并进行数据融合，通过GPRS网络最终到达监控中心。
传感器节点受到存储容量有限、计算能力有限、电源能量有限等诸多条件的限制；基站节点连接传感器网络和外部网络，负责不同协议之间的转换和数据融合工作，实质上起到了一个网关的作用；监控中心对整个网络进行管理，获取监测区域的多种灾害体实时信息。
无线网络传感器
软件系统设计
软件系统包括系统的基本算法与各节点实现不同功能的程序设计。
无线网络传感器技术在各种无线网络中具有明显的特点，节点分布密集、数量众多、自身能量有限、有自组织能力、网络拓扑结构可以动态变化；新兴的ZigBee技术正是针对这些特点而诞生的，它具有低功耗、自动路由、时延短、网络容量大、安全性高等技术特长，目前还处于高速的发展完善中。
路由算法
进行地质灾害监测的环境普遍比较险峻，如果频繁地更换传感器节点的电池则不太现实，传感器节点的能耗考虑就被放在了首要的位置，整个系统的设计都是围绕着这个中心点展开的。ZigBee规范支持三种网络拓扑结构：星状网、网状网、簇树状网。星状网通信范围有限，所有传感器节点都必须在基站节点覆盖范围内；网状网任意两个节点之间存在多条路径，其发现的路径是最优的，但是冗余度大，尤其是针对资源有限的传感器节点；簇树状网采用分级路由策略传送数据和控制消息，不用路由表，查询速度快，但是如果关键路由节点瘫痪，那么相应区域就进入通信瘫痪状态,同时路由路径往往不是最优的。
程序流程
基站节点的主要作用是建立一个网络、接受传感器节点加入网络、接收传感器节点发送来的数据、处理数据并通过GPRS模块把数据发送至监控中心。由于基站节点要运行2个以上的并行任务，在底层使用了μC/OS-II嵌入式操作系统，开机后建立了ZigBee任务和GPRS任务，ZigBee任务初始化后就建立一个网络并进入监听和等待状态，收到传感器节点的入网请求后向其发送包含时钟时间的确认消息，建立连接，等待接收数据，数据接收成功后把数据转交给GPRS任务的同时，把最新的时钟时间回传给发送者；GPRS任务初始化后按给定IP地址连接监控中心，连接成功后定时发送“心跳”数据包以保持数据链路，在接收到ZigBee任务转发的数据后立即将其发送到监控中心。因为基站节点起到了网络协调器的作用，需要持续监控网络，所以一直处于正常工作模式。
无线网络传感器
基站节点程序流程图
传感器节点的作用是根据监控中心设定的时间定时被唤醒、加入网络、采集数据、接受其它节点的入网请求、转发数据等，出于节能和减少网络复杂度的考虑，每一个传感器节点都具有睡眠和路由功能。在待入网节点上电之后会首先发送广播用于寻找附近的无线节点，如果当前有节点已经联入网络，则回复包含时钟时间、路由级数、信号强度的数据包，该待入网节点将按照回复的时间设置睡眠时间、选定路由路径并进入睡眠；如果没有回复(附近节点没有入网或已入网但处于睡眠状态)，该待入节点只保留RF接收模块处于工作；当附近入网节点醒来后进行采集和向基站节点发送数据的工作，如果成功都会发送包含时钟时间、路由级数、信号强度的数据包询问附近是否有待入网的节点存在，处于监听状态的待入网节点收到后会从中按照设定的路由机制选择一个最优节点，并按照数据包的内容进入睡眠并按时唤醒。
无线网络传感器
传感器节点程序流程图
在标准的ZigBee网络中，只有终端节点具有睡眠功能，路由节点才是正常工作的；从节省能量的角度考虑，路由节点加入了睡眠功能，这对时钟时间的同步性提出了较高的要求。系统以基站节点的时钟时间为基准，每一个节点在入网和发送数据后都要参考它进行同步，以保证路由功能的可靠性，考虑到无线收发具有的延迟性，每个节点睡醒后的工作时间为2秒，在这个时间段内按照目前设定的网络规模可以保证各节点的时钟时间可以保持同步。
随着电子技术在软硬件方面的快速发展，无线网络传感器技术的实用化已经全面铺开，将其引入地质灾害监测领域具有重要的现实意义。本文提出了一种新型的地质灾害监测设计方案，结合ZigBee无线网络技术、基于簇树路由算法，构造了地质灾害的无线多点监测，拓宽了监测面积，提高了信号传输效率，目前已经应用于大关县示范区变形地质灾害监测，具有极高的使用价值。
无线网络传感器系统
无线网络传感器系统由传感器节点、基站节点、监控中心组成。传感器节点都具有路由功能，它们与基站节点按照簇树的分层结构自治地组成网络。传感器节点对灾害体变形位移量等进行采集，采集的数据经过处理后，沿着自身优化的路由算法路径传送到基站节点，基站节点汇聚各个传感器节点采集的数据并进行数据融合，通过GPRS网络最终到达监控中心。
传感器节点受到存储容量有限、计算能力有限、电源能量有限等诸多条件的限制；基站节点连接传感器网络和外部网络，负责不同协议之间的转换和数据融合工作，实质上起到了一个网关的作用；监控中心对整个网络进行管理，获取监测区域的多种灾害体实时信息。
无线网络传感器
软件系统设计
软件系统包括系统的基本算法与各节点实现不同功能的程序设计。
无线网络传感器技术在各种无线网络中具有明显的特点，节点分布密集、数量众多、自身能量有限、有自组织能力、网络拓扑结构可以动态变化；新兴的ZigBee技术正是针对这些特点而诞生的，它具有低功耗、自动路由、时延短、网络容量大、安全性高等技术特长，目前还处于高速的发展完善中。
路由算法
进行地质灾害监测的环境普遍比较险峻，如果频繁地更换传感器节点的电池则不太现实，传感器节点的能耗考虑就被放在了首要的位置，整个系统的设计都是围绕着这个中心点展开的。ZigBee规范支持三种网络拓扑结构：星状网、网状网、簇树状网。星状网通信范围有限，所有传感器节点都必须在基站节点覆盖范围内；网状网任意两个节点之间存在多条路径，其发现的路径是最优的，但是冗余度大，尤其是针对资源有限的传感器节点；簇树状网采用分级路由策略传送数据和控制消息，不用路由表，查询速度快，但是如果关键路由节点瘫痪，那么相应区域就进入通信瘫痪状态,同时路由路径往往不是最优的。
程序流程
基站节点的主要作用是建立一个网络、接受传感器节点加入网络、接收传感器节点发送来的数据、处理数据并通过GPRS模块把数据发送至监控中心。由于基站节点要运行2个以上的并行任务，在底层使用了μC/OS-II嵌入式操作系统，开机后建立了ZigBee任务和GPRS任务，ZigBee任务初始化后就建立一个网络并进入监听和等待状态，收到传感器节点的入网请求后向其发送包含时钟时间的确认消息，建立连接，等待接收数据，数据接收成功后把数据转交给GPRS任务的同时，把最新的时钟时间回传给发送者；GPRS任务初始化后按给定IP地址连接监控中心，连接成功后定时发送“心跳”数据包以保持数据链路，在接收到ZigBee任务转发的数据后立即将其发送到监控中心。因为基站节点起到了网络协调器的作用，需要持续监控网络，所以一直处于正常工作模式。
无线网络传感器
基站节点程序流程图
传感器节点的作用是根据监控中心设定的时间定时被唤醒、加入网络、采集数据、接受其它节点的入网请求、转发数据等，出于节能和减少网络复杂度的考虑，每一个传感器节点都具有睡眠和路由功能。在待入网节点上电之后会首先发送广播用于寻找附近的无线节点，如果当前有节点已经联入网络，则回复包含时钟时间、路由级数、信号强度的数据包，该待入网节点将按照回复的时间设置睡眠时间、选定路由路径并进入睡眠；如果没有回复(附近节点没有入网或已入网但处于睡眠状态)，该待入节点只保留RF接收模块处于工作；当附近入网节点醒来后进行采集和向基站节点发送数据的工作，如果成功都会发送包含时钟时间、路由级数、信号强度的数据包询问附近是否有待入网的节点存在，处于监听状态的待入网节点收到后会从中按照设定的路由机制选择一个最优节点，并按照数据包的内容进入睡眠并按时唤醒。
无线网络传感器
传感器节点程序流程图
在标准的ZigBee网络中，只有终端节点具有睡眠功能，路由节点才是正常工作的；从节省能量的角度考虑，路由节点加入了睡眠功能，这对时钟时间的同步性提出了较高的要求。系统以基站节点的时钟时间为基准，每一个节点在入网和发送数据后都要参考它进行同步，以保证路由功能的可靠性，考虑到无线收发具有的延迟性，每个节点睡醒后的工作时间为2秒，在这个时间段内按照目前设定的网络规模可以保证各节点的时钟时间可以保持同步。
随着电子技术在软硬件方面的快速发展，无线网络传感器技术的实用化已经全面铺开，将其引入地质灾害监测领域具有重要的现实意义。本文提出了一种新型的地质灾害监测设计方案，结合ZigBee无线网络技术、基于簇树路由算法，构造了地质灾害的无线多点监测，拓宽了监测面积，提高了信号传输效率，目前已经应用于大关县示范区变形地质灾害监测，具有极高的使用价值。
