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　　1 引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，wsn)是一種由大量微小的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和短距離無線通信模塊的節(jié)點組成的，能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。wsn不需要固定的網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，可廣泛應用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖和其他商業(yè)領(lǐng)域，以及空間探索和搶險救災等特殊領(lǐng)域。

　　分布式電磁探測系統(tǒng)通過探測地下目標體的電性差異，分析異常分布規(guī)律來實現(xiàn)勘探目的。由于野外工作環(huán)境惡劣，溝塹河流阻斷，地形地貌復雜，一些區(qū)域勘探人員難于接近或逾越，采用傳統(tǒng)有線的連接方式不僅大大增加了工作量，也使一些區(qū)域因不能布線而無法勘探。因此采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)建分布式電磁探測系統(tǒng)具有較強的現(xiàn)實意義。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

　　2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件組成

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計與組網(wǎng)方式與應用領(lǐng)域密切相關(guān)。典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在硬件上主要有三部分組成，即傳感器節(jié)點、基站(又叫終端節(jié)點、匯聚節(jié)點)和任務管理平臺。其中傳感器節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，具有網(wǎng)絡(luò)終端和路由器雙重功能，除了進行本地信息收集和簡單的數(shù)據(jù)處理，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，它們大量分布在數(shù)據(jù)監(jiān)測區(qū)域，被監(jiān)測信號的物理形式?jīng)Q定傳感器節(jié)點類型;基站用來實現(xiàn)兩個通信網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)兩個協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、管理節(jié)點，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。任務管理平臺對整個網(wǎng)絡(luò)進行檢測、管理，并對數(shù)據(jù)進行處理，通常為運行管理軟件的pc機或者手持設(shè)備。典型的無線傳感器網(wǎng)路組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　圖1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應用層。盡管目前很多研究人員已經(jīng)為傳感器網(wǎng)絡(luò)的各層提出了一些解決方案，但總的來說還沒有形成被廣泛認可的標準。

　　ieee802.15.4標準是針對低速無線個人域網(wǎng)絡(luò)(personal area network，pan)的通信標準，把低功耗、低成本作為設(shè)計的主要目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速聯(lián)網(wǎng)提供統(tǒng)一標準。由于ieee802.15.4標準的網(wǎng)絡(luò)特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標準[5]。

　　zigbee協(xié)議是zigbee企業(yè)聯(lián)盟基于802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準，它與802.15.4之間存在如下關(guān)系：

　　(1)zigbee完整、充分地利用了ieee802.15.4定義的功能強大的物理特性的優(yōu)點;

　　(2)zigbee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應用軟件;

　　(3)zigbee基于ieee802.15.4射頻標準，同時zigbee聯(lián)盟通過與ieee緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案;

　　(4)802.15.4工作組主要負責制定物理層(phy)和媒體訪問控制(mac)層標準，而zigbee負責網(wǎng)絡(luò)層和應用層的開發(fā)。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議

　　協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)路的靈魂，在不需其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持的情況下，它直接決定網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。從網(wǎng)絡(luò)層來看路由協(xié)議可以分為兩種結(jié)構(gòu)類型[3]：平面型和層次型。

　　在平面型的路由協(xié)議中所有傳感結(jié)點的地位平等，協(xié)議制訂比較簡單，屬于對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中不存在瓶頸，工作可靠，比較健壯。但是這種協(xié)議可擴充性差，每一個結(jié)點都需要知道到達其他所有結(jié)點的路由，維護這些動態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。

　　在層次型的路由協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)以簇為單位劃分為簇頭和多個簇成員，簇頭結(jié)點負責簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。簇頭可以預先指定，也可以由結(jié)點使用算法自動選舉產(chǎn)生。層次型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：簇成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息，減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴充性;由于簇頭結(jié)點可以隨時選舉產(chǎn)生，層次型結(jié)構(gòu)也具有很強的健壯性。但是層次性結(jié)構(gòu)的缺點也很明顯：維護分級結(jié)構(gòu)需要結(jié)點執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭結(jié)點可能會成為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i。

　　因此在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時，如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，可以采用簡單的平面式結(jié)構(gòu);而當網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時，應用層次結(jié)構(gòu)。

　　3 分布式電磁探測系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)主要由子站、基站和管理平臺三部分組成。子站是一種嵌入式微處理器系統(tǒng)，用來完成各種電法測量的功能，如電阻率、激發(fā)極化電位ip(時域和頻域)、可控源音頻大地電磁csamt(標量、矢量、張量)等的測量，測量的參數(shù)主要有電場和磁場。子站采用msp430f1611作為微處理器，它是一款高性能的低功耗16為單片機，具有豐富的存儲資源和接口，易于集成外圍器件，子站作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，根據(jù)不同的測量功能布置在探測區(qū)域的各個測點上。采用高性能ieee802.15.4/zigbee兼容射頻芯片cc2420作為無線收發(fā)模塊，可以使設(shè)備與采用802.15.4標準的設(shè)備實現(xiàn)互連互通，可工作于2.4g 免授權(quán)頻段，支持16個最大傳輸速率為250kbps 的信道;同時采用了dsss技術(shù)，具有極強的抗干擾性;內(nèi)置收發(fā)射頻開關(guān)，硬件mac加密(aes-128)，支持數(shù)字rssi/lqi，與處理器的接口較為簡單，在業(yè)界處于領(lǐng)先水平。子站的總體設(shè)計如圖2所示。

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　　圖2 子站的總體設(shè)計框圖

　　基站實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換，控制子站的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺，基站采用pc104嵌入式平臺設(shè)計，該平臺與ibm的pc機兼容，片上資源豐富，具有靈活的可擴展性，其小巧的尺寸非常適合嵌入式系統(tǒng)的應用，它在數(shù)據(jù)采集方面速度快、精度高，適合多種軟件開發(fā)環(huán)境的運行，符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求?；镜目傮w設(shè)計圖3所示。

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　　圖3 基站總體設(shè)計框圖

　　在野外勘探作業(yè)中可以用一臺筆記本電腦作為上位機，起任務管理平臺的作用，上位機通過向基站發(fā)命令信息對網(wǎng)絡(luò)進行組建、管理和檢測，控制系統(tǒng)的運行，并對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理?？紤]到分布式電磁探測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組建并不復雜，測量網(wǎng)絡(luò)可以采用星型的平面結(jié)構(gòu)，但要保證可靠性;為了保證遠點數(shù)據(jù)的傳輸必須考慮多跳路由的問題，這是路由協(xié)議設(shè)計時的一個關(guān)鍵要素。