近年來我國地質災害的發(fā)生頻率越來越高，由此造成的損失也逐年加劇，對地質災害進行監(jiān)測的儀器研制工作就顯得非常重要。目前已經研制并應用的監(jiān)測儀器主要是通過線纜連接前端的傳感器，這種方式的主要缺點是架線比較困難、同時連接的傳感器數量有限，不適合地形復雜、要求監(jiān)測點多的地質環(huán)境。本文提出的無線網絡傳感器系統(tǒng)，針對地質災害監(jiān)測的應用環(huán)境，在物理層和MAC層采用了IEEE802.15.4協(xié)議，在網絡層采用了ZigBee協(xié)議，進行了降低功耗和簡化路由算法的工作，有效的增加了傳感器數量，相對于有線方式具有很大的優(yōu)越性。

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無線網絡傳感器系統(tǒng)

無線網絡傳感器系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、基站節(jié)點、監(jiān)控中心組成。傳感器節(jié)點都具有路由功能，它們與基站節(jié)點按照簇樹的分層結構自治地組成網絡。傳感器節(jié)點對災害體變形位移量等進行采集，采集的數據經過處理后，沿著自身優(yōu)化的路由算法路徑傳送到基站節(jié)點，基站節(jié)點匯聚各個傳感器節(jié)點采集的數據并進行數據融合，通過GPRS網絡最終到達監(jiān)控中心。

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傳感器節(jié)點受到存儲容量有限、計算能力有限、電源能量有限等諸多條件的限制；基站節(jié)點連接傳感器網絡和外部網絡，負責不同協(xié)議之間的轉換和數據融合工作，實質上起到了一個網關的作用；監(jiān)控中心對整個網絡進行管理，獲取監(jiān)測區(qū)域的多種災害體實時信息。

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軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)的基本算法與各節(jié)點實現不同功能的程序設計。

無線網絡傳感器技術在各種無線網絡中具有明顯的特點，節(jié)點分布密集、數量眾多、自身能量有限、有自組織能力、網絡拓撲結構可以動態(tài)變化；新興的ZigBee技術正是針對這些特點而誕生的，它具有低功耗、自動路由、時延短、網絡容量大、安全性高等技術特長，目前還處于高速的發(fā)展完善中。

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路由算法

進行地質災害監(jiān)測的環(huán)境普遍比較險峻，如果頻繁地更換傳感器節(jié)點的電池則不太現實，傳感器節(jié)點的能耗考慮就被放在了首要的位置，整個系統(tǒng)的設計都是圍繞著這個中心點展開的。ZigBee規(guī)范支持三種網絡拓撲結構：星狀網、網狀網、簇樹狀網。星狀網通信范圍有限，所有傳感器節(jié)點都必須在基站節(jié)點覆蓋范圍內；網狀網任意兩個節(jié)點之間存在多條路徑，其發(fā)現的路徑是最優(yōu)的，但是冗余度大，尤其是針對資源有限的傳感器節(jié)點；簇樹狀網采用分級路由策略傳送數據和控制消息，不用路由表，查詢速度快，但是如果關鍵路由節(jié)點癱瘓，那么相應區(qū)域就進入通信癱瘓狀態(tài),同時路由路徑往往不是最優(yōu)的。

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程序流程

基站節(jié)點的主要作用是建立一個網絡、接受傳感器節(jié)點加入網絡、接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的數據、處理數據并通過GPRS模塊把數據發(fā)送至監(jiān)控中心。由于基站節(jié)點要運行2個以上的并行任務，在底層使用了μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，開機后建立了ZigBee任務和GPRS任務，ZigBee任務初始化后就建立一個網絡并進入監(jiān)聽和等待狀態(tài)，收到傳感器節(jié)點的入網請求后向其發(fā)送包含時鐘時間的確認消息，建立連接，等待接收數據，數據接收成功后把數據轉交給GPRS任務的同時，把最新的時鐘時間回傳給發(fā)送者；GPRS任務初始化后按給定IP地址連接監(jiān)控中心，連接成功后定時發(fā)送“心跳”數據包以保持數據鏈路，在接收到ZigBee任務轉發(fā)的數據后立即將其發(fā)送到監(jiān)控中心。因為基站節(jié)點起到了網絡協(xié)調器的作用，需要持續(xù)監(jiān)控網絡，所以一直處于正常工作模式。

基站節(jié)點程序流程圖

傳感器節(jié)點的作用是根據監(jiān)控中心設定的時間定時被喚醒、加入網絡、采集數據、接受其它節(jié)點的入網請求、轉發(fā)數據等，出于節(jié)能和減少網絡復雜度的考慮，每一個傳感器節(jié)點都具有睡眠和路由功能。在待入網節(jié)點上電之后會首先發(fā)送廣播用于尋找附近的無線節(jié)點，如果當前有節(jié)點已經聯(lián)入網絡，則回復包含時鐘時間、路由級數、信號強度的數據包，該待入網節(jié)點將按照回復的時間設置睡眠時間、選定路由路徑并進入睡眠；如果沒有回復(附近節(jié)點沒有入網或已入網但處于睡眠狀態(tài))，該待入節(jié)點只保留RF接收模塊處于工作；當附近入網節(jié)點醒來后進行采集和向基站節(jié)點發(fā)送數據的工作，如果成功都會發(fā)送包含時鐘時間、路由級數、信號強度的數據包詢問附近是否有待入網的節(jié)點存在，處于監(jiān)聽狀態(tài)的待入網節(jié)點收到后會從中按照設定的路由機制選擇一個最優(yōu)節(jié)點，并按照數據包的內容進入睡眠并按時喚醒。

傳感器節(jié)點程序流程圖

在標準的ZigBee網絡中，只有終端節(jié)點具有睡眠功能，路由節(jié)點才是正常工作的；從節(jié)省能量的角度考慮，路由節(jié)點加入了睡眠功能，這對時鐘時間的同步性提出了較高的要求。系統(tǒng)以基站節(jié)點的時鐘時間為基準，每一個節(jié)點在入網和發(fā)送數據后都要參考它進行同步，以保證路由功能的可靠性，考慮到無線收發(fā)具有的延遲性，每個節(jié)點睡醒后的工作時間為2秒，在這個時間段內按照目前設定的網絡規(guī)?？梢员ＷC各節(jié)點的時鐘時間可以保持同步。

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隨著電子技術在軟硬件方面的快速發(fā)展，無線網絡傳感器技術的實用化已經全面鋪開，將其引入地質災害監(jiān)測領域具有重要的現實意義。本文提出了一種新型的地質災害監(jiān)測設計方案，結合ZigBee無線網絡技術、基于簇樹路由算法，構造了地質災害的無線多點監(jiān)測，拓寬了監(jiān)測面積，提高了信號傳輸效率，目前已經應用于大關縣示范區(qū)變形地質災害監(jiān)測，具有極高的使用價值。