摘要：設計了一種新型的高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)。采用ARM7內(nèi)核的MCU進行控制，并基于IPv6協(xié)議利用IPv6技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方式，建立了可自組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對指定區(qū)域環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)使用了多個土壤水分傳感器、溫度傳感器、二氧化碳傳感器、氮氣傳感器對高原凍土環(huán)境進行全方位實時觀測。各監(jiān)測點將數(shù)據(jù)通過基于IPv6的無線網(wǎng)絡傳送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可以對數(shù)據(jù)進行記錄和分析，更好地指導環(huán)境保護和建設工作。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；IPv6；GPRS

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)絡技術(shù)、GSM／GPRS移動通信技術(shù)以及IPv6技術(shù)。采用IPv6技術(shù)可以讓一個網(wǎng)絡支持更多的傳感器，這樣可以大幅減少匯聚節(jié)點的數(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氣濃度進行檢測。土壤濕度傳感器對地表以下20 cm的土壤濕度進行監(jiān)測；溫度傳感器對凍土溫度進行監(jiān)測；二氧化碳濃度和氮氣濃度對高原的大氣環(huán)境進行監(jiān)測。四種傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳感器節(jié)點和IPv6網(wǎng)絡匯聚到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳輸給監(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：無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和監(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。

2 無線高原凍土監(jiān)測系統(tǒng)設計
2．1 無線傳感器節(jié)點設計
    無線傳感器節(jié)點是傳感器的直接載體，主要放置在野外。節(jié)點傳感器輸出的模擬信號經(jīng)A／D采樣后，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給匯聚節(jié)點，無線傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1．1 低功耗和系統(tǒng)供電設計
    無線傳感器節(jié)點采用電池供電，沒有外部直流電源，并且對節(jié)點大小有一定要求，故必須選用高集成度、低功耗的芯片。設計采用飛思卡爾公司的MC13224集成片上系統(tǒng)。MC13224是飛思卡爾公司設計生產(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、2．4 GHz IEEE802．15．4標準射頻收發(fā)器、2個8通道12位ADC，4個16位定時器等。只需少許的外部器件便可實現(xiàn)一個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)絡節(jié)點設計的低功耗系列產(chǎn)品，具有3種可以單獨選擇的功耗模式，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2～3．6 V的工作電壓，使其在電池供電的設備上具有優(yōu)秀的功耗表現(xiàn)。通過軟件編程可在需要時調(diào)整功耗模式以達到最佳的功耗性能，特別是MC13224在其掉電模式(Power Down)下工作電流僅為500 nA，并能通過外部高精度32．768 kHz的晶振精確控制其睡眠時間。
2．1．2 傳感器接口設計
    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氣傳感器。傳感器電源可以通過開關(guān)三極管和MCU進行開關(guān)控制以達到節(jié)能的目的。
    4種傳感器的響應時間都大于150 ms，遠大于MC13224內(nèi)部集成的ADC最小采樣時間，所以3個傳感器完全可以共用一個采樣通道。在此，將傳感器設置在通道1，其參考電壓設置為VREF=0 V，VREF+=2．5 V。這樣可以使得A／D采樣的數(shù)據(jù)更加精確。
2．1．3 射頻接口設計
    MC13224內(nèi)部集成了2．4 GHz IEEE 802．15．4標準的射頻收發(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)，同時設計了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。

3 匯聚節(jié)點設計
    匯聚節(jié)點是傳感器網(wǎng)絡和監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交換和相應監(jiān)控中心指令的核心，其功能主要是通過無線傳感器網(wǎng)絡接收來自于傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)和向傳感器節(jié)點發(fā)送采集指令；同時實現(xiàn)監(jiān)控中心雙向GPRS和SMS通信的功能。匯聚節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3．1 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡
    IPv6無線傳感器網(wǎng)絡設計主要實現(xiàn)IPv6協(xié)議的核心部分，即報文的分片、重組、報頭壓縮和地址自動配置；網(wǎng)絡拓撲采用最簡單的星型結(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。本設計主要采用UDP，ICMP的報文交互通信。新的TinyOS2．0系統(tǒng)能夠支持IPv6系統(tǒng)。這里使用TinyOS2．0系統(tǒng)作為WSN的操作系統(tǒng)平臺。
    TinyOS是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，是由加州大學的伯利克分校開發(fā)研制的，主要應用于無線傳感器網(wǎng)絡方面。其程序采用的是模塊化設計，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)絡上運行并執(zhí)行相應的管理工作。在TinyOS下實現(xiàn)IPv6無線網(wǎng)絡UDP數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送流程略——編者注。
3．2 GSM／GPRS模塊
    目前GPRS實際數(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。雖然要與遠在千里的監(jiān)控中心進行雙向通信，但是GPRS傳輸設備工作時只需與附近的移動基站通信即可。其整體功耗與一臺普通GSM手機相當，平均功耗僅為200 mW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行初始化，利用協(xié)議將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡進行傳輸。
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進行GPRS封裝，再將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳給監(jiān)控中心。
    IPv6協(xié)議與GPRS協(xié)議都參照了OSI七層參考模型，各層的職責分工十分明確。當數(shù)據(jù)在各層間傳送時，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。

    GPRS與IPv6無線網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換主要實現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)報文與GPRS報文雙向轉(zhuǎn)換。圖6為GPRS報文與IPv6報文的轉(zhuǎn)換過程。PAYLOAD為報文中的有效數(shù)據(jù)載荷。當無線網(wǎng)關(guān)射頻部分(PHY層)接收到數(shù)據(jù)報文，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的報文格式交由滿足GPRS通信協(xié)議的終端設備處理，從而實現(xiàn)無線接收到的信息到GPRS網(wǎng)絡的傳輸。
3．4 針對嚴酷環(huán)境的硬件設計
    雷電是自然電磁干擾源中最強的一種，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；處在強電磁場環(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，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)點的元器件本身和元器件之間的信號的影響是當今社會的研究熱點。
    為此，我們采用以下幾點方法來降低節(jié)點對印制板電路上的電磁干擾。
    ①在器件的每個電源引腳處放置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1～4．7 kΩ的電阻將／RST拉為高電平。在／RST走線和地之間設一個0．1ΩF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應在PCB的連接點處適當?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行溫度測量，設定一定的溫度閥值，當系統(tǒng)溫度低于該溫度采用散熱片散熱，當系統(tǒng)溫度超過預設溫度時，打開降溫風扇對系統(tǒng)進行降溫。
    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)點在如此低溫的條件下的運行問題。為此設計了一種可以通過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，在低溫時鋁制散熱器上的風扇不工作，此時鋁制散熱器充當加熱片的功能，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MCU檢查到系統(tǒng)工作環(huán)境溫度低于設定閥值時，自動開啟加熱器。
3．4．2 對潮濕環(huán)境的處理辦法
    在運行過程中，過多的水分會造成電路短路燒毀的危險，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，通過設計穩(wěn)定的外部封裝盒來防止開放環(huán)境中的大風，大雨等惡劣天氣對系統(tǒng)的影響。
3．5 監(jiān)控中心設計
    監(jiān)控中心的主要功能是對數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行分析、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行物理量的反演。同類傳感器中的不同個體也存在差異，監(jiān)控中心需要針對不同的傳感器個體設置不同的校正系數(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)方式將每個傳感器節(jié)點在地圖上進行標注，使用戶在選擇數(shù)據(jù)的同時只需選擇自己傳感器節(jié)點所在的位置即可。在此選擇Map Server開源的地理信息系統(tǒng)(GIS)，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)進行一系列操作以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對匯聚節(jié)點的控制和對用戶的通知。監(jiān)控中心中的GSM／GPRS Modem在實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，還能實現(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。匯聚節(jié)點對命令進行解析后，針對不同的命令做出不同的響應。

結(jié)語
    本文設計一種基于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)點能夠精確地采集溫度、濕度、二氧化碳、氮氣的物理值，并且實現(xiàn)了基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡。通過該網(wǎng)絡，各傳感器節(jié)點能夠?qū)?shù)據(jù)準確無誤地傳輸給匯聚節(jié)點。通過GPRS網(wǎng)絡，匯聚節(jié)點能夠?qū)⑷诤虾蟮臄?shù)據(jù)實時地傳送給監(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)點進行控制，以更好地指導環(huán)境保護和建設工作。