基于IPv6的無線高原凍土監測系統※

周照東，肖俊聰

（電子科技大學 電子工程學院，成都 611731）

引 言

在青藏高原腹地的凍土區域開展凍土區氣象、凍土變化以及工程建筑物穩定性的監測，獲取的基本數據被用來建立數據庫和系統的整理分析是必要的。但在高原地區獲取的這些資料若以人工方式取得，代價高昂。本系統利用了微控制器（MCU）技術、無線傳感器網絡技術、GSM／GPRS移動通信技術以及IPv6技術［1］。采用IPv6技術可以讓一個網絡支持更多的傳感器［2］，這樣可以大幅減少匯聚節點的數目，以降低系統成本。

1 無線高原凍土監測系統架構

高原凍土監測系統主要對土壤濕度、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20cm的土壤濕度進行監測；溫度傳感器對凍土溫度進行監測；二氧化碳濃度和氮氣濃度對高原的大氣環境進行監測［2］。四種傳感器數據經過無線傳感器節點和IPv6網絡匯聚到匯聚節點，匯聚節點再將數據通過GPRS網絡傳輸給監控中心。

基于IPv6的無線高原凍土信息監測系統主要由3部分組成［3］：無線傳感器節點、匯聚節點和監控中心。無線高原凍土信息監測系統架構如圖1所示。

圖1 無線高原凍土信息監測系統架構

2 無線高原凍土監測系統設計

2.1 無線傳感器節點設計

無線傳感器節點是傳感器的直接載體，主要放置在野外。節點傳感器輸出的模擬信號經A／D采樣后，通過無線網絡發送給匯聚節點，無線傳感器節點硬件結構如圖2所示［4］。

圖2 無線傳感器節點硬件結構

2.1.1 低功耗和系統供電設計

無線傳感器節點采用電池供電，沒有外部直流電源，并且對節點大小有一定要求，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。MC13224是飛思卡爾公司設計生產的基于IEEE 802.15.4協議的低功耗高性能片上系統。系統集成了32位 ARM7TDMI－S微控制器內核、2.4GHz IEEE 802.15.4標準射頻收發器、2個8通道12位ADC，4個16位定時器等［5］。只需少許的外部器件便可實現一個完整的信號采集和收發系統。

MC13224是專為無線傳感器網絡節點設計的低功耗系列產品，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2～3.6V的工作電壓，使其在電池供電的設備上具有優秀的功耗表現。通過軟件編程可在需要時調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500nA，并能通過外部高精度32.768kHz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三極管和MCU進行開關控制以達到節能的目的。

4種傳感器的響應時間都大于150ms，遠大于MC13224內部集成的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＝0V，VREF＋＝2.5V［6］。這樣可以使得A／D采樣的數據更加精確。

2.1.3 射頻接口設計

MC13224內部集成了2.4GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發器，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功能。圖3為MC13224的射頻天線接口。為了方便開發，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。

圖3 MC13224射頻天線接口

3 匯聚節點設計

匯聚節點是傳感器網絡和監控中心進行數據交換和相應監控中心指令的核心，其功能主要是通過無線傳感器網絡接收來自于傳感器節點的數據和向傳感器節點發送采集指令；同時實現監控中心雙向GPRS和SMS通信的功能。匯聚節點的硬件結構如圖4所示。

圖4 匯聚節點硬件結構

3.1 IPv6無線傳感器網絡

IPv6無線傳感器網絡設計主要實現IPv6協議的核心部分，即報文的分片、重組、報頭壓縮和地址自動配置；網絡拓撲采用最簡單的星型結構。由于TCP要求三次握手，在無線環境中傳輸效率較低，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系統能夠支持IPv6系統。這里使用Tiny－OS2.0系統作為WSN的操作系統平臺。

TinyOS是一個開源的嵌入式操作系統，是由加州大學的伯利克分校開發研制的，主要應用于無線傳感器網絡方面。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據大概在400字節左右，能夠突破傳感器系統存儲資源少的限制，讓TinyOS有效地在無線傳感器網絡上運行并執行相應的管理工作。在TinyOS下實現IPv6無線網絡UDP數據包接收和發送流程略——編者注［7］。

3.2 GSM／GPRS模塊

目前GPRS實際數據傳輸速率在50kb／s左右，完全能滿足系統數據傳輸速率的需求。GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環境。雖然要與遠在千里的監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200mW左右，小于傳統數傳電臺。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，利用協議將數據通過GPRS網絡進行傳輸。

3.3 MCU在系統中的網關功能

網關的主要作用是協議轉換。MCU網關功能的具體實現過程是系統在MC13224中完成對IPv6數據的解包，將有效數據通過UART接口傳給MC35進行GPRS封裝，再將數據通過GPRS網絡傳給監控中心。

IPv6協議與GPRS協議都參照了OSI七層參考模型［8］，各層的職責分工十分明確。當數據在各層間傳送時，數據從上而下增加頭和尾，自下而上去除頭和尾。GPRS與IPv6網關的協議數據轉換過程如圖5所示。

圖5 GPRS與IPv6網關協議數據轉換過程

GPRS與IPv6無線網關協議轉換主要實現IPv6數據報文與GPRS報文雙向轉換。圖6為GPRS報文與IPv6報文的轉換過程。PAYLOAD為報文中的有效數據載荷。當無線網關射頻部分（PHY層）接收到數據報文，根據IPv6通信協議從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通信協議的終端設備處理，從而實現無線接收到的信息到 GPRS網絡的傳輸［9－10］。

3.4 針對嚴酷環境的硬件設計

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構簡單、體積大、絕緣水平相對較高等特點；處在強電磁場環境中，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。

圖6 GPRS報文與IPv6報文的轉換過程

為此，我們采用以下幾點方法來降低節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生“天線”。

⑤使用一個1～4.7kΩ的電阻將／RST拉為高電平。在／RST走線和地之間設一個0.1μF的去耦電容。

⑥將TMS、TCK、TDI引腳接固定電平。

⑦連接至系統電纜或其他電路板上的信號時應在PCB的連接點處適當地濾波。

經過以上處理后能夠將外部電磁環境對器件的影響降低到最小。

3.4.1 對高低溫環境的處理辦法

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

為了解決高溫的問題，首先在系統中采用散熱片和智能降溫風扇相結合的方式。高溫環境一般出現在夏季白天。在這種環境下通常陽光充足，太陽能電池板輸出電流較大。利用系統自帶的溫度傳感器進行溫度測量，設定一定的溫度閥值，當系統溫度低于該溫度采用散熱片散熱，當系統溫度超過預設溫度時，打開降溫風扇對系統進行降溫。

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。將銅質加熱器通過銅質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，將銅質加熱器的熱量均勻的分散到各IC上。銅質加熱器通過MCU控制，當MCU檢查到系統工作環境溫度低于設定閥值時，自動開啟加熱器。

3.4.2 對潮濕環境的處理辦法

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境對系統做了特殊處理。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，通過設計穩定的外部封裝盒來防止開放環境中的大風，大雨等惡劣天氣對系統的影響。

3.5 監控中心設計

監控中心的主要功能是對數據匯聚節點上傳的數據進行分析、管理和展示。

3.5.1 數據功能

監控中心監控的匯聚節點很多，對每種傳感器上傳的數據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，監控中心需要針對不同的傳感器個體設置不同的校正系數。由于涉及大量數據，需使用SQL Server對傳感器數據進行管理。監控中心所檢測的區域十分龐大，用直觀的呈現方式將每個傳感器節點在地圖上進行標注，使用戶在選擇數據的同時只需選擇自己傳感器節點所在的位置即可。在此選擇Map Server開源的地理信息系統（GIS）［11］，能將數據和地圖相結合，并將結果上傳互聯網。

3.5.2 控制功能

監控中心除了能夠對數據進行一系列操作以外，還能夠實現對匯聚節點的控制和對用戶的通知。監控中心中的GSM／GPRS Modem在實現GPRS網絡數據傳輸的同時，還能實現短信（SMS）的收發，并通過短信將命令發送給匯聚節點。匯聚節點對命令進行解析后，針對不同的命令做出不同的響應［12－13］。

結 語

本文設計一種基于IPv6的無線高原凍土監測系統。通過現場調試，無線傳感器節點能夠精確地采集溫度、濕度、二氧化碳、氮氣的物理值，并且實現了基于IPv6的無線傳感器網絡。通過該網絡，各傳感器節點能夠將數據準確無誤地傳輸給匯聚節點。通過GPRS網絡，匯聚節點能夠將融合后的數據實時地傳送給監控中心，監控中心將數據解析后利用GIS系統展示，并且還能利用短信系統對匯聚節點進行控制，以更好地指導環境保護和建設工作。

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

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

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

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