（计算机应用技术专业论文）基于无线传感网络的山体滑坡实时监测系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本文根据滑坡监测现状需求，将无线传感网络技术、g p s 定位技术和 g s m 无线通信技术相结合，完成从系统方案到软硬件设计的整个过程，实现 了对滑坡体的实时监测。 无线传感网络一般由传感节点和汇聚节点组成。根据山体基本形状为圆 锥的特点，本设计提出了一种新型的无线传感网络拓扑结构“分级有序 蜂巢状拓扑结构 ，克服了星型和网状结构的缺点，实现了将采集数据从传感 节点多跳传输到汇聚节点的网络通信过程。 硬件设计方面：实现了无线传感网络的传感节点和汇聚节点及各自仿真 器的印制电路板设计。传感节点主要由m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机和c c i l 0 0 射频 芯片组成。汇聚节点主要由s 3 c 4 4 b o x 微处理器和g p s 模块、g s m 模块组 成。传感节点和汇聚节点的印制电路板硬件平台为整个设计提供了物理实现。 软件设计方面：主要实现传感节点、汇聚节点的软件设计。传感节点软 件设计以i a r 为软件开发平台，设计了相关的应用程序，实现了无线传感网 络拓扑结构和数据的采集、可靠传输。汇聚节点设计了针对本硬件平台的 b o o t l o a d e r ，并成功移植了源码公开的比c o s i i 实时操作系统到汇聚节点的 a r m 处理器中，根据设计的系统结构划分系统任务并给出了任务调度流程。 在c o s i i 操作系统的基础上设计各模块的相关软件，整合采集数据，如 r f 接收的采集信息、g p s 定位信息、r t c 采集时间等，之后通过s m s 方式 发送出去。远程监控终端软件用来显示采集信息，而不进行图形化演示等相 对复杂的工作。 遵循一般的嵌入式系统开发流程，“基于无线传感网络的山体滑坡实时监 测系统 目前已调试成功，可利用本系统对滑坡进行实时监控，弥补了传统 监测的各种缺陷，取得了良好的效果。 关键词：嵌入式系统：滑坡：无线传感网络：实时； 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t h i ss y s t e mu n i f i e st h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h eg p s l o c a l i z a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h eg s mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a c c o r d i n gt o t h en e e d so ft h el a n d s l i d em o n i t o r i n gt e c h n i q u e s t h ed e s i g n c o m p l e t e st h el a n d s l i d er e g i o nr e a l - t i m em o n i t o r i n g a c c o r d i n gt ot h es h a p eo fm o u n t a i n ，t h ed e s i g np r o p o s e san e wt o p o l o g y f r a m eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w h i c hi sn a m e d “g r a d ea n ds e q u e n c e f a v e o l a t et o p o l o g yf r a m e ”t h i st o p o l o g yo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go fs t a r m o d e la n dr e t i c u l a t i o ns t r u c t u r e t h ed e s i g nr e a l i z e st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o c e s so fc o l l e c t i o nd a t af r o ms e n s o rn o d et o s i n kn o d eu s i n gt h em o d eo f m u l t i - j u m p r o u t e r i nh a r d w a r ea s p e c t ，t h ep r i n te u r c u i tb o a r dd e s i g no ft h es e n s o rn o d e ，t h e s i n kn o d ea n dt h e i re m u l a t o ra r ei m p l e m e n t e d t h es e n s o rn o d ei sc o m p o s e do f m s p 4 3 0 f 1 6 9a n dc c i l 0 0 t h es i n kn o d ei sc o m p o s e do fs 3 c 4 4 b o x ，g p s m o d u l ea n dg s mm o d u l e t h ep r i n tc i r c u i tb o a r do fs e n s o rn o d ea n ds i n kn o d e p r o v i d e s p h y s i c a lr e a l i z a t i o nf o rt h ew h o l ed e s i g n i ns o f t w a r ea s p e c t ，t h es o f t w a r ed e s i g no fs e n s o rn o d ea n ds i n kn o d ei st h e m a i nt a s k t h es e n s o rn o d et a k e si a ra ss o n f l w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h e t o p i cd e s i g nt h ea p p l i c a t i o no fe v e r ym o d e l t h et o p i cd e s i g n e sw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k st o p o l o g yf r a m e ，a n de n s u r et h er e l i a b i l i t yo fd a t aa c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o n i nt h ep a p e rb o o t l o a d e ri sd e s i g n e df o rt h es i n kn o d e t h er e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sn a m e d c o s - i ih a sb e e nt r a n s p l a n t e ds u c c e s s f u l l y i n t ot h ea r m p r o c e s so nt h es i n kn o d eb o a r d m e a n w h i l e ，t h 、et a s ks c h e d u l eh a s b e e ns e tu pa c c o r d i n gt ot h es y s t e ms t r u c t u r e t h em o d u l ed r i v e ri sd e s i g n e do n t h eb a s i so f 比c o s - i io p e r a t i n gs y s t e m t h ed a t ai si n t e g r a t e d ，s u c ha sr f r e c e i v e di n f o r m a t i o n ，g p so r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o n ，c o l l e c t i o nt i m e ，a n ds oo n t h ed a t ai st r a n s m i t e dt h r o u g ht h es m s r e m o t et e r m i n a li sa u x i l i a r yt od i s p l a y t h ed a t a i tp r o v i d e sn og r a p h i c a li n t e r f a c e s f o h o w i n gs t a n d a r dd e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ed e b u g g i n go ft h em o u n t a i n l a n d s l i d er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s s u c c e s s e d u s i n gt h i ss y s t e m ，l a n d s l i d ei sr e a l t i m em o n i t o r e d t h i sn e wm e t h o d s u p p l i e sag a po ft h et r a d i t i o n a lm o n i t o rm e t h o d s g o o dr e s u l t sh a v ea c h i e v e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；l a n d s ii d e ：w ir e i e s ss e n s o rn e t w o r k ：r e a i t i m e ： 西南交通大学曲南父嬗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密图，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：闭延敏 日期7 , o o 寥堋 指导老师签名：幸勿守武 日期争厂6 厂f l 尹 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 独立完成了基于无线传感网络的山体滑坡实时监测系统的嵌入式软硬件设 计。在全面深入的了解核心器件之后，根据实际需求和现实条件进行外设选型 和总体方案设计，完成了由m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机和c c i l 0 0 射频芯片组成的传 感节点硬件平台以及由s 3 c 4 4 b o x 处理器和g p s 模块、g s m 模块组成的汇聚 节点硬件平台的开发。在硬件平台的基础上，提出并设计了一种新型的无线传 感网络拓扑结构“分级有序蜂巢状拓扑结构 ，实现了将采集数据从传感节 点多跳传输到汇聚节点的网络通信过程。传感节点可采集开关量和模拟量传感 器数据，监测节点电压范围等信息，并将其打包后通过r f 传输出去。汇聚节 点软件设计包括：b o o t l o a d e r 及a c o s i i 的移植，g p s 定位信息的采集、c p l d 实现多串口设计及g s m 无线传输，将数据二次打包后通过s m s 方式无线传输 至远程监控终端，以实现数据汇总并在远程监控终端显示采集信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 中国幅员辽阔，地质地貌复杂，气候温润，降雨丰沛，为滑坡活动提供了 充分的内在原因和外界条件。中国的铁路，除东部平原、浅丘地区外，大部分 铁路依山傍水，均受到滑坡的严重威胁。据不完全统计，中国铁路沿线共有大、 中型滑坡一千余处，且分布具有不均匀性。滑坡危害严重的主要有宝成、成昆、 宝天、太焦、鹰夏、川黔等干线和福建省漳龙、外福，陕西省梅七等支线，平 均分布密度一般在每百公里1 0 处左右，个别可达2 0 处甚至更多。滑坡危害较 重的有贵昆、湘黔、黔桂、襄渝等干线和云南省昆河等支线，平均分布密度为 每百公里5 1 0 处。从全国范围来看，绝大多数的滑坡分布于中国的南方和西 北以及山西地区。铁路沿线的滑坡分布于陇海线及其以南、宝成成昆线及其以 东的地区，约占全国铁路滑坡总数的五分之四【1 1 。滑坡的存在要求采用一种成 本低、易于推广、有效的监测手段对于这些潜在或是正在滑动的滑坡体进行监 测，以便及时采取安全预防措施，避免当大面积滑坡产生时造成难以预料的损 失。 基于铁道护坡突发灾害自动预警系统研究项目的提出，本文主要设计一种 山体滑坡监测系统，使得工作人员无需到达监测区域就能远程实时得到高可靠 性监测数据，了解滑坡体的运动情况，分析滑坡体形变情况与规律，进而结合 地质资料进行滑坡变形趋势预报，为滑坡防治提供科学依据。此研究对于火车 的安全运营、人民的生命财产安全有着十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 滑坡监测技术现状 滑坡监测流程【2 】可概括为监测设计，监测仪器选型，仪器安装埋设与观测， 资料质量、分析与反馈等内容。目前滑坡监测技术主要有宏观地质观测法、简 易测量法、大地精密测量法、g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 法、仪器仪表监测法和综合自动遥测法等。表1 - 1 总结了已有各种监测方法所 适用的仪器、优缺点及适用性等。 在上述技术中，采用最多的就是g p s 技术，g p s 技术已经广泛应用在精密 工程测量和滑坡监测中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 表1 一l 滑坡监测方法一览表 监测 机理 监测方法仪器优缺点 适用性 大地 经纬仪、水准投入快，精度高，直观安全，但 测量法 仪、测距仪受气候地形影响，不能连续观测 适用于不同变形阶段 地 精度高，投入快，易操作，不受适用于滑体不同变形阶 表 g p s 法g p s 接收机 地形限制，但成本高，前景可观 段的柏轰- - - 维付耪豁涮 变 钢卷尺、游标 形 宏观 简单直观，资料可靠，但精度较适用于裂缝两侧岩土体 地质 卡尺、伸缩计、 低，速度慢，资料须经校核后使张开、闭合、位移、升降 测缝计、位移 观测法用，但受天气和地形的影响较大等变化 计等 钻孔倾斜仪、精度高，抗干扰性强，资料可靠， 适用于滑体变形初期，测 测斜法 量钻孔、竖井内滑体各深 多点倒锤仪但测程有限，成本高，投入慢 度变形特征、滑带位置 地 测缝法 多点井壁位精度较高，成本高，投入慢，仪适用于平硐、竖井裂缝的 滑 下 移计、测缝计器易受到地下水的浸湿、侵蚀监测 坡 变 重锤、水平位适用于平硐内水平剪切 本 形 重锤法 错计、坐标仪位移的监测 身 下沉仪、 精度高，机测直观可靠，但受潮 适用于平硐滑体相对于 形 沉降法收敛仪、 湿等影响 滑床的下沉变化以及裂 变 静力水准仪等缝沿轴向位移的监测 价格低、检测时间短、可远程访 及 目、数据提供快捷键、安全性高； 适用于滑动面位置的确 特 滑 t d r 法同轴电缆等 堕不能用于需要监测倾斜情况不 定 征 体 每在剪切作用的区域，无法确定 监 特 骨坡移动量和移动方向 测 征 监 应力应变应力计 法应变计 测 孔隙压力 法 孔隙压力计 诱发因 雨量计法翻斗式雨量计 素监测 1 2 2 无线传感网络应用现状 无线传感网络【3 4 】是将大量传感器节点采用规则或随机方式部署在监控区 域，通过无线自组织方式构成的网络。 无线传感网络在军事侦察、环境信息检测、农业生产、医疗健康监护、建 筑与家居、工业生产控制以及商业等领域有看广阔的应用前景，最近几年随着 计算成本的下降以及微处理器体积的小型化，无线传感网络开始投入使用。目 前无线传感网络的应用主要集中在环境的监测和保护、医疗护理和军事领域。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 研究目标 传统滑坡监测主要是在现场布置固定的传感器或仪表后，通过汇总人工定 时读取的数据来得到滑坡的安全状况。数据汇总后滑坡可能已经发生了破坏， 因此不可能及时准确地对滑坡状况进行预测。其最大弊病是难以及时甚至无法 捕捉到滑坡临近失稳前的最宝贵信息。若安排工作人员昼夜值守，不仅浪费人 力、物力，而且值守人员的生命安全得不到保障。此外，传统监测方法多采用 有线方式连接，但滑坡监视区域的地理条件复杂、线路架设困难的特点，限制 了有线方式，而无线方式毋需铺设物理线路，可使监控终端远离存在安全隐患 的区域，为灵活选择其所在地提供了可能【5 】o 本文研究目标是：实现针对滑坡山体特征布设节点、多点监测、无布线、 无人值守、2 4 小时连续工作、低成本、远程实时获取采集信息的滑坡监测系统， 以弥补传统监测手段的各种缺陷。 1 4 总体方案设计及研究内容 本文设计如图i - i 所示的滑坡实时监测系统体系结构。监测区域中可安放 多个节点以实现多点监测；无线方式解决了布线难的问题；设备借助大容量电 池的电能实现无人值守、2 4 小时连续工作；采集数据实时传输到监控终端，使 远程监控终端可随时了解监测区域的状况。本文所设计的滑坡实时监测系统由 “现场监测系统 、“信息传输系统 和“远程监控终端 三部分组成。 图i - i 山体滑坡实时监测系统结构图 “现场监测系统采用先进的无线传感网络技术来实现。无线传感网络节 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 点包括传感( s e n s o r ) 节点和汇聚( s i n k ) 节点。传感节点散布在感知区域内， 完成对各环境参数的实时监测、采集、存储、处理，并采用自组织多跳路由无 线r f ( r a d i of r e q u e n c y ，射频) 通信方式把数据传输到汇聚节点。汇聚节点将 采集数据、g p s 定位信息和时间信息融合后，通过“信息传输系统向外界发 送。 “信息传输系统”选择信号覆盖范围广、技术成熟且成本相对较低的无线 公网g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 的 s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，短消息服务) 构建“现场监测系统”和“远程监 控终端”的无线数据传输。s m s 可将多个监测区域的采集数据发送到同一个号 码的接收端。这种“多对一 的传输模式，便于对多个危险区域进行监测。 “远程监控终端”负责接收、解析短消息中的采集数据，显示在屏幕上。 本文的主要研究内容为传感节点和汇聚节点软硬件设计。其中包括自行提 出的“分级有序蜂巢状 无线传感网络拓扑结构设计、传感节点及仿真器的印 制电路板设计、传感节点传感器数据采集、电量监测程序、r f 数据包收发的软 件设计，汇聚节点及仿真器的印制电路板设计、汇聚节点的b o o t l o a d e r 、 c o s 操作系统的移植、g p s 定位信息采集、s m s 数据传输和c p l d 多串口 设计等。此外，为验证本系统的功能和正确性，设计了一个简捷的监控终端软 件，演示了监控数据采集及无线传输的正确性，具体的监控任务不在本设计的 范围之内。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章无线传感网络拓扑及通信协议设计实现 2 1 分级有序蜂巢状拓扑结构设计 2 1 1 无线传感网络主要拓扑结构简介 网络拓扑结构【6 】的设计是实现各种通信协议的基础，它对网络的性能、可 靠性及通信费用都有很大的影响。在无线传感网络中应用广泛的拓扑结构主要 是星型结构、网状结构两种。 星型结构是指各工作站以星型方式连接成网，是单跳的系统。中央节点负 责处理整个网络的数据传输和网络的运行。星型结构具有便于集中控制、网络 延迟时间较小，传输误差较低、易于维护和安全等优点。缺点是其覆盖范围受 到传输媒体的限制。 网状结构中每台设备间均有点到点的链路连接，是多跳的系统。其系统可 靠性高，容错能力强、传输距离远。有时也称为分布式结构。但这种连接安装 复杂、成本高、功耗大，只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种方法。 2 1 2 分级有序蜂巢状拓扑结构设计 根据山体形状通常为圆锥、滑坡区域为扇形的特征，设计了如图2 1 所示 的“分级有序蜂巢状拓扑结构 。 图2 - 1 山体滑坡监测系统拓扑结构 由1 4 节知，无线传感网络包括汇聚节点( 1 号节点) 和传感节点( 其余节 点) ，通过r f 传输数据。“分级有序蜂巢状拓扑结构 名称来源有以下原因： ( 1 ) 网络结构分“平面结构 和“分级结构 两种【7 1 。平面结构中，所有 节点的地位相等。分级结构中，网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 成员组成，这些簇头形成高一级网络。在高一级网络中，又分簇再次形成更高 级网络，直至最高级。簇头可预先指定，也可由节点使用算法自动选举产生， 其负责簇间数据的转发。本设计采用“分级结构 ：汇聚节点为中心，网络中能 与汇聚节点直接通信的节点为1 跳节点。与1 跳节点无中继通信的节点属于2 跳节点。以此类推，对整个通信网络分级。显然，1 跳节点与汇聚节点的距离 耋可靠的r f 通信距离d r 。一个n 跳的网络最大的监测半径是n x d r ； ( 2 ) 有序指节点只能向本层或上层节点传输采集数据； ( 3 ) 本拓扑结构的外观类似与蜂巢，不断向四周扩展。 本拓扑结构是在二叉树型结构基础上改进的。树型结构的缺点是除了叶节 点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。为 提高树型结构的健壮性改进为图2 2 的结构。此时，拓扑图中的大多数节点有 6 个邻居节点，以节点7 为例进行说明：其上层、本层和下层都有两个节点， i d 号分别为2 、4 、5 、9 、1 2 、1 4 节点。假设节点损坏概率为1 0 ，则节点7 的数据能转发到节点1 的概率为：p = i 1 0 1 0 = 1 0 0 1 = 9 9 。 图2 2 一次改进二叉树拓扑结构 此概率表明，因上层节点损坏，导致链路失效和网络分割概率较大。无线 传感网络节点一般部署在人类难以到达和接触的区域，因此网络通信成功概率 需尽可能的大。为进一步增强其健壮性，决定在同级相邻的两个节点( 如：2 、 4 节点) 之间增加一个节点，即形成图2 1 所示的拓扑结构。此时大多数节点 有1 0 个邻居节点。即上层3 个、本层4 个、下层3 个。在节点损害概率相同的 情况下，节点7 能够将数据转发到节点1 的概率为： p = i 1 0 x1 0 x1 0 = 1 0 0 0 1 = 9 9 9 可见，分级有序蜂巢状拓扑结构有效地保证了网络的连通性，将链路失效 和网络分割的可能性降低到0 1 。 此拓扑结构克服了星型结构、树型结构和网状结构的缺点，并兼具星型结 构的简洁和低功耗以及网状结构的长传输距离和自愈性的优点，使系统具有高 可靠性、强容错能力、长通信距离、较低成本、易扩充，易寻址的优点。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第7 页 2 2 数据链路层设计 数据链路层【8 】主要负责数据成帧、帧校验、差错控制，减少邻居节点广播 引起的冲突。保证节点间数据传输的可靠性、完整性。 2 2 1 帧格式设计 首先定义用来存储节点信息的结构体( n o d e l n f o ) ，其格式如下： i n o d e l d fb a t t e r y l e v e ll s e n s o r l n f o ic h e c k r o u t e r m s nlr o u t e r t a b l ei 其中：n o d e l d 为节点i d 号，是监测区域内节点的唯一标识；b a t t e r y l e v e l 为电源电压所处级别，具体见3 2 4 节；s e n s o r l n f o 为采集的传感器数据，如开 关量、模拟量和数字量传感器；c h e c k r o u t e r m s n 为最新一轮的建网标识，根据 此信息判断采集时间和是否转发c h e c k r o u t e r 帧；r o u t b r t a b l e 为路由表。 通信过程中使用了两种帧：控制帧( c 髓c k r o u t e r 、a c k c h e c k 、 a c k d 衄a ) 和数据帧( d 朋渔) 。下面分别进行介绍： ( 1 )c h e c k r o u t e r 帧 c 髓c k r o u l e r 帧为广播帧，当节点收到此帧后，开始采集数据并且判 断是否转发此帧以建立最新的路由表。格式如下： l l e n l b r o a d c a s t a d d r i m e s s a g e t y p e i s r c a d d r l l r l s n i 其中：l e n 为帧长，即除l e n 外的信息所占字节数；b r o a d c a s t a d d r 为广播地 址j 本设计通过配置c c l l 0 0 寄存器设置广播包地址为0 x 0 0 ，若目的地址为 0 x 0 0 ，则其通信覆盖范围内的所有节点都能收到此包；m e s s a g e t y p e 是帧类型， 本设计定义了4 种类型，分别为c h e c k r o u t e r 、a c k c h e c k 、a c k d a t a 和眺；s r c a d d r 是发送帧的节点地址；r o s s 是计数标志，用来防止帧丢失或 判断回复的确认帧是否有效。 ( 2 ) a c k c h e c k 帧 a c k c h e c k 帧为c h e c k r o u t e r 帧的确认帧。格式如下： i l e n i d e s t a d d r l m e s s a g e t y p e i s r c a d d r i m s n l 其中：d c s t a d d r 为目的节点地址，与c h e c k r o u t e r 帧的s r c a d d r 相同。 ( 3 ) d a t a 帧， d a t a 帧为节点r f 发送的数据帧，格式如下： u e n d e s t a d d r i m e s s a g e t y p ei s r e a d d r i f o r m n o d e l n f o m s n i 其中：f o r m n o d e l n f o 为n o d e l n f o 结构体变量，通过此字段可得知节点的采 集信息、电压级别及最新的路由表信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 4 ) a c k d a t a 帧 a c k d a t a 帧为d a t a 帧的数据确认帧，格式如下： 2 2 2c r c 校验 循环冗余码校验( c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 的作用为错误检测。 实际应用时，发送装置计算出c r c 值并随同数据一起发送给接收装置，接收装 置对数据重新计算c r c 并与收到的c r c 比较。若不同，则说明数据通信出现 错误。c r c 校验能保证传输过程的正确性，因此在传输检验算法中被广泛使用。 c c l l 0 0 内置自动c r c 校验硬件支持。设置配置寄存器p k t c t r l o 开启 c r c 校验。发送数据包时，依次发送前导字节。同步词汇、f i f o 中的有效载 荷，随后将计算t x f i f o 中数据的校验和组成两个状态字节一并发送出去，状 态字节的c r co k 位就是c r c 的状态位。在开启c r c 校验时，需要在射频接 收函数中使用如下语句来检测是否为正确的数据接收结果。 在读出r x f i f o 中的有效数据之后，执行如下伪代码： 通过s p i 口连续读出r x f i f o 中的2 个数据( 附加状态位) ，写入s t a t u s 2 ； 返回s t a t u s t 字节中c r co k 位的值： ) 返回0 ，表明c r c 校验出错，数据将被丢弃；返回1 ，表明c r c 校验正确， 数据将被成功接收。 2 2 3 差错控制 无线传感网络中差错控制通常采用自动重发请求和前向纠错( f e c ： f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 两种方式。f e c 是一种数据编码技术，传输中检错由 接收方进行验证，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的 位置并加以纠正，还原出原始数据无需发送方重发。f e c 不需要反馈通道，时 延小、实时性好。 c c l l 0 0 有内置的交错前向纠错功能，通过设置m d m c f g l 配置寄存器的 f e c e n 开启f e c 功能。f e c 编码在传送的k 个信息码元中附加r 1 1 个监督码 元，在两者之间建立某种检验关系，当这种校验关系因传输错误而受到破坏时， 可以被发现并予以纠正，这种检错和纠错能力是用信息量的冗余度来换取的。 c c l l 0 0 的编码器是1 2 比特编码，对1 个输入比特进行编码，产生2 个输出比 特，因此有效数据率减半。由于突发信号影响，。r f 接收数据会产生突发性错误。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 为提高健壮性，将f e c 与交错技术相结合，则大范围的误差将会变为单一误差 分开传播。c c l l 0 0 的交错和反交错缓冲为4 x 4 的矩阵。发送端数据比特被写 入矩阵行，传输时在矩阵列中读取；相反，接收端将接收数据写入矩阵列，从 矩阵行中读取。 若c c l l 0 0 的f e c 交错器使能，长度字节、有效载荷数据和状态字节将被 交错器混杂，调制前f e c 编码；接收端在接收到第一个有效载荷数据后，f e c 译码器开始对有效载荷字节译码，在处理数据之前对接收比特进行反交错运算。 2 2 4 硬件滤波 c c l l 0 0 芯片内部支持滤波，包括数据包滤波和c r c 滤波。无需外加设备， 方便可靠，降低了成本。其中：c r c 滤波已在前面进行介绍，此处不再复述。 c c l l 0 0 支持2 种不同的数据包滤波标准：地址滤波和最大长度滤波。为尽快 释放r f 通信信道，本设计同时采用地址和最大长度滤波机制。 首先，设置p k t c t r l l a d r c h k = 1 0 开启地址滤波，本设计设置a d d r 寄存器为节点i d 。当检测到数据包后，将其目的地址字节同a d d r 寄存器及 o x o o 广播地址相比较，若接收地址与有效地址匹配，则接收数据包并写入r x f i f o 。若地址匹配失败，则丢弃数据包。 其次，通过设置p k t c t r l 0 l e n g t hc o n f i g = i ，将选择可变数据包长 度模式。包长由同步词汇后的第一个字节来设定。p k t l e n p a c k e tl e n g t h 寄存器设置最大的r x 包长( 0 x f f ) 。若接收字节数比此值大，则丢弃数据包。 2 3 路由层设计 路由层主要负责路由生成和路由选择。节点采集数据的同时还要转发数据， 如何在两个不可见的通信节点之间找到一条传输数据的路径，保证节点间传输 的正确率和成功率是路由协议需解决的问题。 2 3 1 路由表生成 本设计实现了两种建网方案，分别是网状建网和半固定建网。 1 网状路由表的实现 网状建网是通过发送广播包和广播应答包来实现的【9 1 ，流程如图2 3 所示。 根据广播应答包来确定路由表的内容，通过比较应答包中节点跳数与节点当前 跳数来决定是否重发广播包。 依上述算法建网，时间长且需发送大量广播包及广播应答包，期间射频信 号会互相干扰发生碰撞，同时，发送接收数据包均会消耗大量的能量，因此本 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 设计采用半固定路由建网。 图2 - 3 建立网状路由表流程图 2 半固定路由表的建立 半固定路由表的建立采用事先将网络拓扑结构中邻居节点的跳数信息写入 f l a s h ，并设标志位v a l i d i t y 标识路由信息的有效性。路由信息结构体定义如 下： t y p e d e fs t r u c t u i n t 8 h o p t o g a t e w a y ； u i n t 8 v a l i d i t y ； l ：v a l i d i t y0 ：i n v a l i d i t y n e i g h b o r l n f o ； 初始化路由信息如下：邻居节点的h o p t o g a t e w a y 为节点与汇聚节点之间的 跳数，非邻居节点的初始化为o x f f ；所有的v a l i d i t y 初始化为0 ( 无效) 。 上电后通过c h e c k r o u t e r 帧和a c k c h e c k 帧的收发来检测路由完整 性，过程与图2 3 大致相同，区别就是：半固定路由接收到c h e c k r o u t e r 时，先查看h o p t o g a t e w a y 判断该节点是否为邻居，若不是则不做任何动作： 若是则判断是否发a c k c h e c k 及c h e c k r o u t e r 。收到邻居节点的 a c k c h e c k 后标记v a l i d i t y 有效。建网结束后，将节点路由信息封装在d a t a 帧中上传至汇聚节点，便可获知网络的拓扑结构。这样就减少了建网过程所耗 费的时间和能量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3 2 路由选择 节点在发送数据包前需检查目的节点是否在其通讯范围内，若是就直接传 到目的节点，否则就需要选择路由节点进行转发。本设计使用最小跳数优先算 法( 流程如图2 4 所示) 决定下一跳的路由节点地址。 将路由表中距汇聚节点最近的邻居节点作为目的地址，发送数据包。若通 信不成功的话，则重新依据最小跳数优先算法选择除之前通信失败的邻居节点 外距汇聚节点最近的邻居节点作为目的地址。 图2 4 最小跳数优先算法流程图 2 4 无线传感网络通信流程设计 无线传感网络常采用分布式控制，并且节点具有自组织功能。分布式控制 就是将网络的控制功能分散到多个节点或者全部节点中；而自组织功能是指节 点在网络拓扑结构变化的情况下可以自动监测网络拓扑的信息，动态确定传输 路由，并选择工作参数，从而实现网络的控制和管理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 5 为无线传感网络网络通信流程图。总体通信流程为：汇聚节点上电 初始化后，发c h e c k r o u t e r 帧建网。传感节点收到c h e c k r o u l e r 帧， 开始建网。建网时间到后，采集表征滑坡安全状况的参数信息，之后将采集信 息和路由信息打包后，以r f 方式将d a t a 帧发送至汇聚节点。汇聚节点对r f 接收包、g p s 定位信息和实时时钟值再次打包，对数据包进行存储、处理，通 过g s m 传输出去。直到下一个采样时间到后，重复此过程。 ( 开始 ) 0 i 初始化 户 i 发c h e c k r o u t e r 0 贞启动建网 0 l 建网时间期限到i 、 接收d a t a 帧 j 发a c k d a t a 帧 0 通过g s m 将数据发送 至监控管理中心 n 虹基y ( a ) 汇聚节点通信流程图 o 。1 。、 开始) ， 初始化i 收c h e c k r o u t e r 帧开始建网 定时时间到，采集数据 收中断? 数据需发 依最小跳数优先算法选路 i 五j l 五ii 发d a t a 帧 接收d a t a 帧lll 二= = 1 竿 发a c k d a t a 帧 时期内收! c k d a t a c h e c k r o u t e r ( b ) 传感节点通信流程图 图2 5 无线传感网络通信流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章传感节点软硬件设计 传感节点主要作用为通过自组织多跳路由无线通信方式向汇聚节点发送由 采集信息、电量监测范围和路由表等信息组成的数据包。 3 1 传感节点的硬件设计 所设计的传感节点由数据采集模块、处理控制模块、无线通信模块和能量 供应模块四个部分组成，如图3 - 1 所示。 数据采集模块处理控制模块无线通信模块 ( 刊篡一 ，h 粤甄，卜一、譬塑巫习： 一- f 一。一下。、下。 一一l - 一一l _ 一一熊量供虞模块一l 一 f 7 厂百潺 jf电源lj 、i ，- - - - | ， 图3 - 1 传感节点硬件平台结构图 传感节点各模块功能如下： ( 1 ) 处理控制模块负责控制各模块，协调完成节点的正常工作： ( 2 ) 无线通信模块负责节点间的无线射频通信； ( 3 ) 数据采集模块负责监测区域内传感器信息的采集； ( 4 ) 能量供应模块负责为传感节点提供运行所需的5 v 或3 v 直流电源。 3 1 1 无线通信模块及接口设计 目前流行的短距离无线数据传输的网络标准有i e e e 8 0 2 1 1 、蓝牙、i r d a 、 h o m e r f 、z i g b e e 、u w b 掣1 0 】。这些协议标准是针对用户无线接入i n t e m e t 制 定的，详尽并复杂。考虑到仅需简单的数据传输，因此没必要遵循这些标准， 而是选用射频电路。本设计采用c h i p c o n 公司的c c l l 0 0 无线收发一体芯片， 它是低成本真正单片的u h f ( u l t r a h i g hf r e q u e n c y ，超高频) 收发器，为低功耗 无线应用设计【1 1 j 。电路主要设定在3 1 5 、4 3 3 、8 6 8 和9 1 5 m h z 的i s m ( 工业， 科学和医学) 和s r d ( 短距离设备) 频率波段，数据传输率可达5 0 0 k b p s 。 1 c c l10 0 和m s p 4 3 0 接口设计 ( 1 ) s p i 口介绍 s p i ( s e r i a lp e f i p h e r a li n t e r f a c e ，串行外设接口) 总线是一种同步串行外设 接口，可使m c u 与多种标准外围器件以串行方式通信以交换信息。外围设备 包括f l a s h 、r a m 、网络控制器、l c d 显示驱动器、a d 转换器和m c u 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 s p i 模式下，主机提供时钟和数据，从机利用此时钟将信息移入和移出， 从而实现了串行数据的收发。只需如下3 线即可完成数据交换： u c l k ：串行时钟线，由主机驱动，从机用它发送和接收数据。 s o m i ：从机输出主机输入数据线。 s i m o ：从机输入主机输出数据线。 采用s p i 总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和 口线，提高设计的可靠性。 1 2 ) c c i l 0 0 和m s p 4 3 0 f 1 6 9 接口设计 基于c m o s 晶体的c c i l 0 0 是通过s p i 口与m s p 4 3 0 f 1 6 9 连接的。采用 m s p 4 3 0 f 1 6 9 的s p i 口可控制c c i l 0 0 的主要操作参数和6 4 位发送胺收f i f o 。 c c i l 0 0 和m s p 4 3 0 的接口信号主要有s i 、s c l k 、s o ( g d 0 1 ) 、g d 0 0 、 g d 0 2 、c s n 。其中：s i 、s c l k 、s o 为3 线s p i 口；s c l k 为时钟输入引脚： s i 为数据输入引脚；s o ( g d 0 1 ) 为数据输出引脚。c s n 为片选，用普通i o 口即可控制。并将g d 0 0 设置为接到到同步字时置1 ，接收完数据包后清o 。 g d 0 2 用作连续时钟，与同步连续模式下的数据同步。图3 2 为c c l l 0 0 与 m s p 4 3 0 f 1 6 9 接口电路示意图。 v c c v c c ( 2 6 m ) g d 0 0 小p24 、 2p 2 7g d 0 2 。 台p 4 2c s n宝 景p 3 i s i m 0 0 s iu 塞玛p 3 渊： s o ( g d 0 1 ) 。 s c l k g n d g n d 图3 - 2 接