无线传感器网络在地震监测中的应用

无线传感器网络在地震监测中的应用摘要针对传统有线网络难以有效进行地震监测的问题，本文设计了基于无线传感器网络的地震 监测系统。分析了该监测系统的结构，介绍了所设计的地震监测系统节点硬件组成、适合的路 由协议和MAC层协议以及通信方式。适应复杂多变的环境，监测各种有线网络无法有效监测的 地区，实现灾难预警与救助.关键词：无线传感器网络 地震监测 路由协议 MAC层协议1、绪论地震监测是防震减灾、地震科学研究的必要技术基础,目前,国内外的地震监测系统仍处于 初级阶段,不能满足地震预警的要求，存在漏报、误报、迟报现象，例如监测台网密度低、监测 数据精度低、信息不丰富、数据传输速度慢、成本高等。通过使用由大量互连的微型传感器节点组成的传感器网络,可以对不同环境进行不间断的 高精度数据搜集。采用低功耗的无线通信模块和无线通信协议可以使传感器网络的生命期延续 很长时间。保证了传感器网络的实用性。无线传感器网络相对于传统的网络，其最明显的特色可以用六个字来概括即：“自组织，自 愈合。这些特点使得无线传感器网络能够适应复杂多变的环境，去监测人力难以到达的恶劣环 境地区。无线传感器网络节点体积小巧，不需现场拉线供电，非常方便在应急情况下进行灵活 部署监测并预测地质灾害的发生情况.2、传感器节点设计无线传感器网络是最近几年兴起的技术，在地震监测方面的应用研究也刚刚开始。本文以 无线传感器网络技术为基础，结合GPRS通信技术，实现对地震监测区域的远程实时监测，并通过对采集数据的分析和处理，实现对所监测区域的预警预报。图1地餐监鬪系统总休构成传感器节点是网络的基本单元，承担着计算、存储、通信以及传感或执行任务，在本地震 监测系统中主要实现横波、纵波、面加速度、地理位置、平面位移等地震相关参量的采集和无 线收发等功能。无线传感器节点主要功能是对网络覆盖区域情况进行动态监测，并通过射频通信的方式， 将数据传输至网关。根据实际应用要求，传感器节点主要由四部分组成：数据采集模块、存储模 块和数据控制、无线通信模块和能量供应模块。其中，数据采集模块主要是对监测区域内信息 进行采集和数据的转换，处理器模块主要负责对整个传感器的节点进行控制操作，处理、存储 节点自身传送过来的数据和由其他节点传送过来的数据，无线通信模块主要是负责与其它传感 器节点或者基站进行无线的通信、交流和交换控制信息，以及接收和转发采集来的数据，能量 供应模块主要是为传感器节点提供正常工作所需的能量，能够保证系统的正常有效的运行，一般 使用的是微型电池.地震检波器是用于地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的 传感器，能把地震波引起的地面震动转换成电信号，经过模/数转换器转换成二进制数据、进行 数据组织、存储、运算处理。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，典型应用在手 机、笔记本电脑、步程计和运动检测等.本设计采用Freescale公司的MMA7455L来实现地震检 波器测试仪的设计，其具有信号调理、温度补偿、自测，以及可配置到检测Og或脉冲检测快速 运动等功能，产品具有功耗低、精度高、速度快的特点。3、路由协议3、1地震监测中的路由协议的要求 网络规模大，分布范围广，对网络节能性要求高。地震监测的无线传感器网络分布范围 非常广，而且地形环境复杂,节点电池的更换或能量的补给几乎是不可能的，因此网络及网络中 的节点应尽量减少能量消耗，以延长自身的寿命，能源的高效使用成为路由协议设计的首要目 标. 地震发生的概率非常低，而且地震的发生具有随机性，是不可预测的，因此传统的时间周 期性传递监测数据的路由协议不太合适，这里需要的是事件驱动型传感器网络。地震未发生时， 只需要周期性地传输少量的无线传感器网络健康状况数据，只有地震发生时才需要传输大量的 关键数据.同时地震发生时，监测数据的传输对及时性、可靠性有一定的要求，大量的监测数据 需要及时、可靠地传输到监控中心。 地震监测的无线传感器网络节点会由于能量耗尽或地震破坏等环境因素造成失效减少， 或者也会补充一些传感器节点来弥补失效节点、增加监测精度等，从而使网络的拓扑结构随之也 动态变化。这就要求无线传感器网络有较强的自组织性，能够适应这种网络拓扑结构的动态变 化。3.2路由协议的选择及原因根据地震实时发生的特性，我们选择了 APTEEN协议，APTEEN (Adaptive Periodic Threshold-sensi tive Energy Efficie nt sensor Net work pro to col )是一种混合协议，兼有 主动和响应两种类型的数据传输模式，可以根据用户需要和应用类型来设定TEEN协议的周朝性 和软、硬门限的值，既可以周期性采集地震波转换成的电压信号又可以对地震做出快速响 应.APTEEN随着簇首节点的确定，簇首节点向簇内所有节点广播属性，阀值，调度方式计数时间。 APTEEN为每一个传感器节点定义一个计时器并设定相应的时间，当定时时间超时并且在此段时无线传感器网络在地震监测中的应用 间内仍然没有数据上报给簇头节点时，则会强行该节点采集数据，且不论其数据是否满足两个 门限，都将数据上报给簇头节点。APTEEN可以支持3种不同的查询类型，包括分析过去数据的历 史性查询，快速浏览网络的一次性查询和在一段时间内持续监控某一事件的连续查询。LEACH假设所有的节点都能直接与簇首以及基站通信，在需要监测范围大的应用中不适用； 而且它仅仅以节点的剩余能量多少选择簇首，形成的簇并不是最优的。LEACH-C健壮性好且产生 的簇较佳，但该协议由于每个节点都需要向基站周期性地报告它们的能量和位置等信息，从而导 致增加网络流量、时间延迟等。TEEN是第一个响应型的无线传感器网络路由协议，其网络结构与LEACH类似，只是它的簇 成员不像LEACH算法那样总是发送数据给簇首.TEEN协议设置了硬、软两个阀值，只有当监测到 的数据超过硬阈值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送监测数据。这样可以大 大减少节点发射数据的次数，数据传送消耗的能量较少。但TEEN协议存在一个缺陷，如果阀值 不能达到，节点就不会传输任何数据，导致用户在某段时间不知道节点是否死亡。在能量分布和网络生存时间的指标上，TEEN和APTEEN的性能都要优于LEACH协议,TEEN的 缺点是不能实现数据的周期性采集，如果网络节点没有接收到相关阈值，那么节点就不会与簇头 进行通信，用户也就完全得不到网络的任何数据。APTEEN协议在TEEN的基础上面加入了对周 期性事件报告的支持。APTEEN获得了较好的性能的指标,APTEEN很好地减少了网络数据量，提 高了网络利用率和网络生存时间.3。3 工作过程:传感器节点采用以下工作过程:读取传感器的值，并把该值和设定的阈值相比较，当小于阈 值时，就以30s为周期循环采集监测值；当超过阈值时，就回传至监测管理中心并报警。为了减 少系统的数据传输量并能准确及时的对地震监测进行预报，只有当测得的传感器值达到阈值的 3 /4时，才通过多跳路由对数据进行转发，并最终通过GPRS网关发送到远程监控中心。4、MAC层设计4.1 MAC协议分析竞争型MAC协议能很好地适应网络规模和网络数据流量的变化，能灵活地适应网络拓扑结 构的变化，无需精确的时钟同步机制，较易实现。但是存在能量效率不高的缺点，如冲突重传、 空闲监听、串扰、控制开销引起的能量损耗。对于竞争型的MAC协议，一般情况下所有节点都 共享一个普通信道。比如SMAC协议中，节点协同进行周期性监听和睡眠的状态切换，确保节点 能同步进行监听和睡眠调度，而不是各个节点自发进行随机的睡眠和监听，周期性监听和睡眠 的时间之和为一个调度周期。分配型MAC协议将信道资源按时隙、频段或码型分为多个子信道，各子信道之间无冲突， 互不干扰。数据包在传输过程中不存在冲突重传,所以能量效率较高.4。2MAC协议的选择SMACS协议是一种分布式协议，允许一个节点集发现邻居并进行收发信道的分配，不需要全 局节点来进行分配。为了实现这种机制，SMACS协议将邻居发现和信道分配进行了组合。SMACS协议在发现相邻节点之间存在链路后立即分配信道，当所有节点都发现邻居后这些 节点就组成一个互连的网络，网络中节点两两之间至少存在一个多跳路径。由于邻近节点分配 的时隙有可能产生冲突，为了减少冲突的可能性，每个链路都分配一个随机选择的频点，相邻链 路都有不同的工作频点。从这点上来讲，SMACS协议结合了 TDMA、FDMA的基本思想。当链路 建立后，节点在分配的时隙中打开射频部分，与邻居进行通信，如果没有数据收发，则关闭射 频 部分进行睡眠；在其余时隙节点关闭射频部分，降低能量损耗。此外，如TDMA，节点只在分配给自己的时隙中打开射频部分，其它时隙关闭射频部分，避 免了冗余接收，进一步降低了能量损耗但是分配型MAC协议通常需要网络中的节点形成簇， 不能灵活地适应网络拓扑结构的变化。SMACS 提出了一种 TDMA/FDMA 结合的信道分配机制，该协议不需要集中控制的算法，可用 来建立一种平面结构的网络。通过为每对时隙分配随机的载波频率，SMACS协议避免了全局时 间同步，减少了复杂性。通过在超帧未分配的时隙进行睡眠，SMACS协议减少了空闲监听和串 扰，提供了较好的能量效率。此外，TRAMA具有较高吞吐量及较好的节能效果，但是它的时延比较大，不适合地震监测， 因此，我们选择了 SMACS，无需全局范围内的时间同步，避免冲突，降低网络负载。5、通信方式GPRS网关负责接收各无线监测电路发回的数据及状态信息，综合处理后通过GPRS网络发送 给监测站，并可以通过GPRS网络接收控制指令，转发给各无线监测节点。无线转发站采用3. 6V 高能电池供电，并具有太阳能充电功能，可长期工作。GPRS（GeneralPacket Radio Service，通用无线分组业务）作为第二代移动通信技术GSM 向第三代移动通信（3G）的过渡技术GPRS不但具有GSM通信系统覆盖范围广、通信质量高，而 且还具有分组传输数据传输快、信道利用率高等优点，另外它支持TCP/IP协议，可以直接与 Internet互通，因此特别适合中低速率的环境监测及监控领域，比如无线传感器网络（WSN）的监 测与控制。基于GPRS的无线网络通信系统主要由三部分构成：位于数据采集现场的GPRS数据采集模 块、网络运营商提供GPRS网络与远程服务器。数据采集模块位于各个数据采集现场，由于移 动公司的通信范围已覆盖我国的绝大部分地区， 各数据采集模块可分散地安装在各种复杂的地 理环境中而不必考虑线路铺设等复杂的问题。GPRS网络是现场数据采集系统与远程监控中心数 据交换的桥梁.数据采集模块与测量仪表进行数据通信， 将测量仪表产生的检测数据通过移动 基站实时发送到GPRS网络服务商所提供的GGSN服务器，GGSN分配给GPRS数据采集终端相 应的IP地址，从而实现了数据采集终端与Internet的连接，再通过Internet网络将采集的 数据发送到位于监控中心的数据采集服务器。GPRS模块可以是始终在线的，因此位于监控中心 的工作人员可以实时了解到终端设备的工作情况并做出相应的工作指示。6、结束语本文介绍了无线传感器网络在地震监测中的应用。建立一套既具有先进性又具有实用性的 地震加速度监测系统，完成对地震事件的检测、采集、触发与监控，为地震工程研究和防震减灾 工作提供重要的基础资料。通过结合GPRS通信技术，实现对地震监测区域的远程实时监测，并 通过对采集数据的分析和处理，实现对所监测区域的预警预报。同时采用的APTEEN协议，既可 以实时性地收集到数据，也可以周期性地得到监测数据。而GPRS通信技术可以在监测到地震的 同时立即向周围手机发送预警短信提醒人们及时避难，这对于地震中伤亡的减少具有重要意义. 对地震的监测与预警提供了更加强大的保障。