周照東，肖俊聰

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731）

引 言

在青藏高原腹地的凍土區(qū)域開展凍土區(qū)氣象、凍土變化以及工程建筑物穩(wěn)定性的監(jiān)測，獲取的基本數(shù)據(jù)被用來建立數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)的整理分析是必要的。但在高原地區(qū)獲取的這些資料若以人工方式取得，代價(jià)高昂。本系統(tǒng)利用了微控制器（MCU）技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GSM／GPRS移動(dòng)通信技術(shù)以及IPv6技術(shù)［1］。采用IPv6技術(shù)可以讓一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持更多的傳感器［2］，這樣可以大幅減少匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，以降低系統(tǒng)成本。

1 無線高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)主要對土壤濕度、溫度、二氧化碳的濃度和氮?dú)鉂舛冗M(jìn)行檢測。土壤濕度傳感器對地表以下20cm的土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測；溫度傳感器對凍土溫度進(jìn)行監(jiān)測；二氧化碳濃度和氮?dú)鉂舛葘Ω咴拇髿猸h(huán)境進(jìn)行監(jiān)測［2］。四種傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳感器節(jié)點(diǎn)和IPv6網(wǎng)絡(luò)匯聚到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心。

基于IPv6的無線高原凍土信息監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分組成［3］：無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心。無線高原凍土信息監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線高原凍土信息監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2 無線高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是傳感器的直接載體，主要放置在野外。節(jié)點(diǎn)傳感器輸出的模擬信號經(jīng)A／D采樣后，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示［4］。

圖2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 低功耗和系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，沒有外部直流電源，并且對節(jié)點(diǎn)大小有一定要求，故必須選用高集成度、低功耗的芯片。設(shè)計(jì)采用飛思卡爾公司的MC13224集成片上系統(tǒng)。MC13224是飛思卡爾公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的基于IEEE 802.15.4協(xié)議的低功耗高性能片上系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了32位 ARM7TDMI－S微控制器內(nèi)核、2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器、2個(gè)8通道12位ADC，4個(gè)16位定時(shí)器等［5］。只需少許的外部器件便可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的信號采集和收發(fā)系統(tǒng)。

MC13224是專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的低功耗系列產(chǎn)品，具有3種可以單獨(dú)選擇的功耗模式，其中有可供選擇的低功耗休眠模式，休眠電流都在納安級，而且支持2～3.6V的工作電壓，使其在電池供電的設(shè)備上具有優(yōu)秀的功耗表現(xiàn)。通過軟件編程可在需要時(shí)調(diào)整功耗模式以達(dá)到最佳的功耗性能，特別是MC13224在其掉電模式（Power Down）下工作電流僅為500nA，并能通過外部高精度32.768kHz的晶振精確控制其睡眠時(shí)間。

2.1.2 傳感器接口設(shè)計(jì)

傳感器有4種，分別是土壤水分傳感器、溫度傳感器、二氧化碳傳感器和氮?dú)鈧鞲衅?。傳感器電源可以通過開關(guān)三極管和MCU進(jìn)行開關(guān)控制以達(dá)到節(jié)能的目的。

4種傳感器的響應(yīng)時(shí)間都大于150ms，遠(yuǎn)大于MC13224內(nèi)部集成的ADC最小采樣時(shí)間，所以3個(gè)傳感器完全可以共用一個(gè)采樣通道。在此，將傳感器設(shè)置在通道1，其參考電壓設(shè)置為 VREF＝0V，VREF＋＝2.5V［6］。這樣可以使得A／D采樣的數(shù)據(jù)更加精確。

2.1.3 射頻接口設(shè)計(jì)

MC13224內(nèi)部集成了2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，具有出色的接收靈敏度和抗干擾能力。其可編程輸出功率為＋4dBm。只需要極少量的外部元件就可以完成無線收發(fā)功能。圖3為MC13224的射頻天線接口。為了方便開發(fā)，同時(shí)設(shè)計(jì)了PCB微帶天線和SMC接口的外置天線。E1為PCB微帶天線，J1為外部天線接口。

圖3 MC13224射頻天線接口

3 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和相應(yīng)監(jiān)控中心指令的核心，其功能主要是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收來自于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集指令；同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心雙向GPRS和SMS通信的功能。匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)IPv6協(xié)議的核心部分，即報(bào)文的分片、重組、報(bào)頭壓縮和地址自動(dòng)配置；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎米詈唵蔚男切徒Y(jié)構(gòu)。由于TCP要求三次握手，在無線環(huán)境中傳輸效率較低，因此不適合IPv6的傳輸要求。本設(shè)計(jì)主要采用UDP，ICMP的報(bào)文交互通信。新的TinyOS2.0系統(tǒng)能夠支持IPv6系統(tǒng)。這里使用Tiny－OS2.0系統(tǒng)作為WSN的操作系統(tǒng)平臺。

TinyOS是一個(gè)開源的嵌入式操作系統(tǒng)，是由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)研制的，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面。其程序采用的是模塊化設(shè)計(jì)，其核心程序往往都很小，一般的核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400字節(jié)左右，能夠突破傳感器系統(tǒng)存儲資源少的限制，讓TinyOS有效地在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行并執(zhí)行相應(yīng)的管理工作。在TinyOS下實(shí)現(xiàn)IPv6無線網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送流程略——編者注［7］。

3.2 GSM／GPRS模塊

目前GPRS實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率在50kb／s左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境。雖然要與遠(yuǎn)在千里的監(jiān)控中心進(jìn)行雙向通信，但是GPRS傳輸設(shè)備工作時(shí)只需與附近的移動(dòng)基站通信即可。其整體功耗與一臺普通GSM手機(jī)相當(dāng)，平均功耗僅為200mW左右，小于傳統(tǒng)數(shù)傳電臺。因此GPRS傳輸方式非常適用于在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合。GPRS模塊的使用需要先對串口和模塊進(jìn)行初始化，利用協(xié)議將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

3.3 MCU在系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)功能

網(wǎng)關(guān)的主要作用是協(xié)議轉(zhuǎn)換。MCU網(wǎng)關(guān)功能的具體實(shí)現(xiàn)過程是系統(tǒng)在MC13224中完成對IPv6數(shù)據(jù)的解包，將有效數(shù)據(jù)通過UART接口傳給MC35進(jìn)行GPRS封裝，再將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心。

IPv6協(xié)議與GPRS協(xié)議都參照了OSI七層參考模型［8］，各層的職責(zé)分工十分明確。當(dāng)數(shù)據(jù)在各層間傳送時(shí)，數(shù)據(jù)從上而下增加頭和尾，自下而上去除頭和尾。GPRS與IPv6網(wǎng)關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖5所示。

圖5 GPRS與IPv6網(wǎng)關(guān)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程

GPRS與IPv6無線網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)報(bào)文與GPRS報(bào)文雙向轉(zhuǎn)換。圖6為GPRS報(bào)文與IPv6報(bào)文的轉(zhuǎn)換過程。PAYLOAD為報(bào)文中的有效數(shù)據(jù)載荷。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)射頻部分（PHY層）接收到數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)IPv6通信協(xié)議從PHY到IPv6幀頭解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP（UDP）／IP的報(bào)文格式交由滿足GPRS通信協(xié)議的終端設(shè)備處理，從而實(shí)現(xiàn)無線接收到的信息到 GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸［9－10］。

3.4 針對嚴(yán)酷環(huán)境的硬件設(shè)計(jì)

雷電是自然電磁干擾源中最強(qiáng)的一種，雷電侵害和電磁干擾往往是多方位、多渠道的。早期的電氣設(shè)備大多具有結(jié)構(gòu)簡單、體積大、絕緣水平相對較高等特點(diǎn)；處在強(qiáng)電磁場環(huán)境中，雖然也會受到電磁干擾，但由于其本身傳遞的信號較強(qiáng)，電磁兼容性問題也并不十分突出。因此如何防止雷電中電磁脈沖對節(jié)點(diǎn)的元器件本身和元器件之間的信號的影響是當(dāng)今社會的研究熱點(diǎn)。

圖6 GPRS報(bào)文與IPv6報(bào)文的轉(zhuǎn)換過程

為此，我們采用以下幾點(diǎn)方法來降低節(jié)點(diǎn)對印制板電路上的電磁干擾。

①在器件的每個(gè)電源引腳處放置0.1μF和1.0μF的去耦電容，盡可能地靠近芯片；在整個(gè)系統(tǒng)的電源入口處放置100μF的大容量去耦濾波電容。

②將PCB板上不使用的空間接地，即所謂的大面積覆銅。

③外部晶振離元器件外部振蕩器引腳盡量地近。

④使用最短的連線以避免產(chǎn)生“天線”。

⑤使用一個(gè)1～4.7kΩ的電阻將／RST拉為高電平。在／RST走線和地之間設(shè)一個(gè)0.1μF的去耦電容。

⑥將TMS、TCK、TDI引腳接固定電平。

⑦連接至系統(tǒng)電纜或其他電路板上的信號時(shí)應(yīng)在PCB的連接點(diǎn)處適當(dāng)?shù)貫V波。

經(jīng)過以上處理后能夠?qū)⑼獠侩姶怒h(huán)境對器件的影響降低到最小。

3.4.1 對高低溫環(huán)境的處理辦法

青藏高原夏季往往有強(qiáng)烈的高溫出現(xiàn)，這樣的高溫往往會使微電子系統(tǒng)的性能下降，甚至于會使系統(tǒng)崩潰。

為了解決高溫的問題，首先在系統(tǒng)中采用散熱片和智能降溫風(fēng)扇相結(jié)合的方式。高溫環(huán)境一般出現(xiàn)在夏季白天。在這種環(huán)境下通常陽光充足，太陽能電池板輸出電流較大。利用系統(tǒng)自帶的溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，設(shè)定一定的溫度閥值，當(dāng)系統(tǒng)溫度低于該溫度采用散熱片散熱，當(dāng)系統(tǒng)溫度超過預(yù)設(shè)溫度時(shí)，打開降溫風(fēng)扇對系統(tǒng)進(jìn)行降溫。

青藏高原最低月平均溫度在－15～－10℃之間，因此，必須采用特殊手段才能解決節(jié)點(diǎn)在如此低溫的條件下的運(yùn)行問題。為此設(shè)計(jì)了一種可以通過MCU控制的智能加熱系統(tǒng)。將銅質(zhì)加熱器通過銅質(zhì)熱管嵌入鋁制散熱器，在低溫時(shí)鋁制散熱器上的風(fēng)扇不工作，此時(shí)鋁制散熱器充當(dāng)加熱片的功能，將銅質(zhì)加熱器的熱量均勻的分散到各IC上。銅質(zhì)加熱器通過MCU控制，當(dāng)MCU檢查到系統(tǒng)工作環(huán)境溫度低于設(shè)定閥值時(shí)，自動(dòng)開啟加熱器。

3.4.2 對潮濕環(huán)境的處理辦法

在運(yùn)行過程中，過多的水分會造成電路短路燒毀的危險(xiǎn)，因此我們針對潮濕環(huán)境對系統(tǒng)做了特殊處理。具體的處理辦法是為PCB涂上一層三防漆。其特點(diǎn)為：

①固化速度快，對各種電路板有良好的附著力。

②三防漆具有良好的耐高低溫性能；其固化后成一層透明保護(hù)膜，具有優(yōu)越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防鹽霧、防霉、防老化、耐電暈等性能。

最后，通過設(shè)計(jì)穩(wěn)定的外部封裝盒來防止開放環(huán)境中的大風(fēng)，大雨等惡劣天氣對系統(tǒng)的影響。

3.5 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心的主要功能是對數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理和展示。

3.5.1 數(shù)據(jù)功能

監(jiān)控中心監(jiān)控的匯聚節(jié)點(diǎn)很多，對每種傳感器上傳的數(shù)據(jù)都必須使用不同的公式來進(jìn)行物理量的反演。同類傳感器中的不同個(gè)體也存在差異，監(jiān)控中心需要針對不同的傳感器個(gè)體設(shè)置不同的校正系數(shù)。由于涉及大量數(shù)據(jù)，需使用SQL Server對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。監(jiān)控中心所檢測的區(qū)域十分龐大，用直觀的呈現(xiàn)方式將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在地圖上進(jìn)行標(biāo)注，使用戶在選擇數(shù)據(jù)的同時(shí)只需選擇自己傳感器節(jié)點(diǎn)所在的位置即可。在此選擇Map Server開源的地理信息系統(tǒng)（GIS）［11］，能將數(shù)據(jù)和地圖相結(jié)合，并將結(jié)果上傳互聯(lián)網(wǎng)。

3.5.2 控制功能

監(jiān)控中心除了能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行一系列操作以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對匯聚節(jié)點(diǎn)的控制和對用戶的通知。監(jiān)控中心中的GSM／GPRS Modem在實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還能實(shí)現(xiàn)短信（SMS）的收發(fā)，并通過短信將命令發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)對命令進(jìn)行解析后，針對不同的命令做出不同的響應(yīng)［12－13］。

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一種基于IPv6的無線高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)。通過現(xiàn)場調(diào)試，無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠精確地采集溫度、濕度、二氧化碳、氮?dú)獾奈锢碇?，并且?shí)現(xiàn)了基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過該網(wǎng)絡(luò)，各傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⑷诤虾蟮臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將數(shù)據(jù)解析后利用GIS系統(tǒng)展示，并且還能利用短信系統(tǒng)對匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，以更好地指導(dǎo)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)工作。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1］李堃.基于IPv6的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京航空航天大學(xué)，2008.

［2］IETF.draft ietfip v6usecases 06［EB／OL］.（2010－07）［2011－08］.http：／／www.ietf.org／.

［3］程國棟，馬巍.青藏鐵路建設(shè)中凍土工程問題［J］.自然雜志，2006，28（6）：315－320.

［4］ZigBee Alliance.ZigBee Specification［EB／OL］.（2005－07）［2011－08］.http：／／www.zigbee.org／.

［5］Freescale.MC13224Reference Manual［EB／OL］.（2008－06）［2011－08］.http：／／www.freescale.com／.

［6］Siemens.MC55Reference Manual［EB／OL］.［2011－08］.http：／／www siemens.com／.

［7］張帆，李文鋒.TinyOS消息通訊機(jī)制以及TOSBase無線－串口通訊組件分析［EB／OL］.（2006－05）［2011－08］.http：／／www.paper.edu.cn.

［8］張森，葉曉慧，王紅霞.基于IEEE 1451.3的IPv6網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2006，3（29）：192－196.

［9］孫利民，李建中，陳渝，等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［10］G Montenegro，Microsoft，N Kushalnagateal.Transmission of IPv6Packets over IEEE802.15.4［EB／OL］.［2011－08］.http：／／www.ietf.org／.

［11］侯惠峰，劉湘雯，于宏毅，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方式研究［J］.電信科學(xué)，2006（6）：56－62.

［12］S Deering，R Hinden.Intemnet Protocol Version6 （IPv6）Specification［R］.RFC2460，1998.

［13］吳德倫，張宏科.基于IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPv6協(xié)議棧［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（8）：5－10.