基于IPv6的无线高原冻土监测系统

摘要：设计了一种新型的高原冻土监测系统。采用ARM7内核的MCU进行控制，并基于IPv6协议利用IPv6技术和GPRS技术相结合的方式，建立了可自组网的无线传感器网络，实现了对指定区域环境参数的实时监测。系统使用了多个土壤水分传感器、温度传感器、二氧化碳传感器、氮气传感器对高原冻土环境进行全方位实时观测。各监测点将数据通过基于IPv6的无线网络传送给汇聚节点，汇聚节点再通过GPRS网络将数据传送给监控中心。监控中心可以对数据进行记录和分析，更好地指导环境保护和建设工作。
关键词：无线传感器网络；IPv6；GPRS

引言
    在青藏高原腹地的冻土区域开展冻土区气象、冻土变化以及工程建筑物稳定性的监测，获取的基本数据被用来建立数据库和系统的整理分析是必要的。但在高原地区获取的这些资料若以人工方式取得，代价高昂。本系统利用了微控制器(MCU)技术、无线传感器网络技术、GSM／GPRS移动通信技术以及IPv6技术。采用IPv6技术可以让一个网络支持更多的传感器，这样可以大幅减少汇聚节点的数目，以降低系统成本。

1 无线高原冻土监测系统架构
    高原冻土监测系统主要对土壤湿度、温度、二氧化碳的浓度和氮气浓度进行检测。土壤湿度传感器对地表以下20 cm的土壤湿度进行监测；温度传感器对冻土温度进行监测；二氧化碳浓度和氮气浓度对高原的大气环境进行监测。四种传感器数据经过无线传感器节点和IPv6网络汇聚到汇聚节点，汇聚节点再将数据通过GPRS网络传输给监控中心。

    基于IPv6的无线高原冻土信息监测系统主要由3部分组成：无线传感器节点、汇聚节点和监控中心。无线高原冻土信息监测系统架构如图1所示。

2 无线高原冻土监测系统设计
2．1 无线传感器节点设计
    无线传感器节点是传感器的直接载体，主要放置在野外。节点传感器输出的模拟信号经A／D采样后，通过无线网络发送给汇聚节点，无线传感器节点硬件结构如图2所示。

2．1．1 低功耗和系统供电设计
    无线传感器节点采用电池供电，没有外部直流电源，并且对节点大小有一定要求，故必须选用高集成度、低功耗的芯片。设计采用飞思卡尔公司的MC13224集成片上系统。MC13224是飞思卡尔公司设计生产的基于IEEE 802．15．4协议的低功耗高性能片上系统。系统集成了32位ARM7TDMI-S微控制器内核、2．4 GHz IEEE802．15．4标准射频收发器、2个8通道12位ADC，4个16位定时器等。只需少许的外部器件便可实现一个完整的信号采集和收发系统。
    MC13224是专为无线传感器网络节点设计的低功耗系列产品，具有3种可以单独选择的功耗模式，其中有可供选择的低功耗休眠模式，休眠电流都在纳安级，而且支持2～3．6 V的工作电压，使其在电池供电的设备上具有优秀的功耗表现。通过软件编程可在需要时调整功耗模式以达到最佳的功耗性能，特别是MC13224在其掉电模式(Power Down)下工作电流仅为500 nA，并能通过外部高精度32．768 kHz的晶振精确控制其睡眠时间。
2．1．2 传感器接口设计
    传感器有4种，分别是土壤水分传感器、温度传感器、二氧化碳传感器和氮气传感器。传感器电源可以通过开关三极管和MCU进行开关控制以达到节能的目的。
    4种传感器的响应时间都大于150 ms，远大于MC13224内部集成的ADC最小采样时间，所以3个传感器完全可以共用一个采样通道。在此，将传感器设置在通道1，其参考电压设置为VREF=0 V，VREF+=2．5 V。这样可以使得A／D采样的数据更加精确。
2．1．3 射频接口设计
    MC13224内部集成了2．4 GHz IEEE 802．15．4标准的射频收发器，具有出色的接收灵敏度和抗干扰能力。其可编程输出功率为+4dBm。只需要极少量的外部元件就可以完成无线收发功能。图3为MC13224的射频天线接口。为了方便开发，同时设计了PCB微带天线和SMC接口的外置天线。E1为PCB微带天线，J1为外部天线接口。

3 汇聚节点设计
    汇聚节点是传感器网络和监控中心进行数据交换和相应监控中心指令的核心，其功能主要是通过无线传感器网络接收来自于传感器节点的数据和向传感器节点发送采集指令；同时实现监控中心双向GPRS和SMS通信的功能。汇聚节点的硬件结构如图4所示。

3．1 IPv6无线传感器网络
    IPv6无线传感器网络设计主要实现IPv6协议的核心部分，即报文的分片、重组、报头压缩和地址自动配置；网络拓扑采用最简单的星型结构。由于TCP要求三次握手，在无线环境中传输效率较低，因此不适合IPv6的传输要求。本设计主要采用UDP，ICMP的报文交互通信。新的TinyOS2．0系统能够支持IPv6系统。这里使用TinyOS2．0系统作为WSN的操作系统平台。
    TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，是由加州大学的伯利克分校开发研制的，主要应用于无线传感器网络方面。其程序采用的是模块化设计，其核心程序往往都很小，一般的核心代码和数据大概在400字节左右，能够突破传感器系统存储资源少的限制，让TinyOS有效地在无线传感器网络上运行并执行相应的管理工作。在TinyOS下实现IPv6无线网络UDP数据包接收和发送流程略——编者注。
3．2 GSM／GPRS模块
    目前GPRS实际数据传输速率在50kb／s左右，完全能满足系统数据传输速率的需求。GPRS传输功耗小，适合野外供电环境。虽然要与远在千里的监控中心进行双向通信，但是GPRS传输设备工作时只需与附近的移动基站通信即可。其整体功耗与一台普通GSM手机相当，平均功耗仅为200 mW左右，小于传统数传电台。因此GPRS传输方式非常适用于在野外使用太阳能供电或蓄电池供电的场合。GPRS模块的使用需要先对串口和模块进行初始化，利用协议将数据通过GPRS网络进行传输。
3．3 MCU在系统中的网关功能
    网关的主要作用是协议转换。MCU网关功能的具体实现过程是系统在MC13224中完成对IPv6数据的解包，将有效数据通过UART接口传给MC35进行GPRS封装，再将数据通过GPRS网络传给监控中心。
    IPv6协议与GPRS协议都参照了OSI七层参考模型，各层的职责分工十分明确。当数据在各层间传送时，数据从上而下增加头和尾，自下而上去除头和尾。GPRS与IPv6网关的协议数据转换过程如图5所示。

    GPRS与IPv6无线网关协议转换主要实现IPv6数据报文与GPRS报文双向转换。图6为GPRS报文与IPv6报文的转换过程。PAYLOAD为报文中的有效数据载荷。当无线网关射频部分(PHY层)接收到数据报文，根据IPv6通信协议从PHY到IPv6帧头解出其中有效载荷，然后将有效载荷加载TCP(UDP)／IP的报文格式交由满足GPRS通信协议的终端设备处理，从而实现无线接收到的信息到GPRS网络的传输。
3．4 针对严酷环境的硬件设计
    雷电是自然电磁干扰源中最强的一种，雷电侵害和电磁干扰往往是多方位、多渠道的。早期的电气设备大多具有结构简单、体积大、绝缘水平相对较高等特点；处在强电磁场环境中，虽然也会受到电磁干扰，但由于其本身传递的信号较强，电磁兼容性问题也并不十分突出。因此如何防止雷电中电磁脉冲对节点的元器件本身和元器件之间的信号的影响是当今社会的研究热点。
    为此，我们采用以下几点方法来降低节点对印制板电路上的电磁干扰。
    ①在器件的每个电源引脚处放置0．1μF和1．0μF的去耦电容，尽可能地靠近芯片；在整个系统的电源入口处放置100μF的大容量去耦滤波电容。
    ②将PCB板上不使用的空间接地，即所谓的大面积覆铜。
    ③外部晶振离元器件外部振荡器引脚尽量地近。
    ④使用最短的连线以避免产生“天线”。
    ⑤使用一个1～4．7 kΩ的电阻将／RST拉为高电平。在／RST走线和地之间设一个0．1ΩF的去耦电容。
    ⑥将TMS、TCK、TDI引脚接固定电平。
    ⑦连接至系统电缆或其他电路板上的信号时应在PCB的连接点处适当地滤波。
    经过以上处理后能够将外部电磁环境对器件的影响降低到最小。
3．4．1 对高低温环境的处理办法
    青藏高原夏季往往有强烈的高温出现，这样的高温往往会使微电子系统的性能下降，甚至于会使系统崩溃。
    为了解决高温的问题，首先在系统中采用散热片和智能降温风扇相结合的方式。高温环境一般出现在夏季白天。在这种环境下通常阳光充足，太阳能电池板输出电流较大。利用系统自带的温度传感器进行温度测量，设定一定的温度阀值，当系统温度低于该温度采用散热片散热，当系统温度超过预设温度时，打开降温风扇对系统进行降温。
    青藏高原最低月平均温度在-15～-10℃之间，因此，必须采用特殊手段才能解决节点在如此低温的条件下的运行问题。为此设计了一种可以通过MCU控制的智能加热系统。将铜质加热器通过铜质热管嵌入铝制散热器，在低温时铝制散热器上的风扇不工作，此时铝制散热器充当加热片的功能，将铜质加热器的热量均匀的分散到各IC上。铜质加热器通过MCU控制，当MCU检查到系统工作环境温度低于设定阀值时，自动开启加热器。
3．4．2 对潮湿环境的处理办法
    在运行过程中，过多的水分会造成电路短路烧毁的危险，因此我们针对潮湿环境对系统做了特殊处理。具体的处理办法是为PCB涂上一层三防漆。其特点为：
    ①固化速度快，对各种电路板有良好的附着力。
    ②三防漆具有良好的耐高低温性能；其固化后成一层透明保护膜，具有优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防盐雾、防霉、防老化、耐电晕等性能。
    最后，通过设计稳定的外部封装盒来防止开放环境中的大风，大雨等恶劣天气对系统的影响。
3．5 监控中心设计
    监控中心的主要功能是对数据汇聚节点上传的数据进行分析、管理和展示。
3．5．1 数据功能
    监控中心监控的汇聚节点很多，对每种传感器上传的数据都必须使用不同的公式来进行物理量的反演。同类传感器中的不同个体也存在差异，监控中心需要针对不同的传感器个体设置不同的校正系数。由于涉及大量数据，需使用SQL Server对传感器数据进行管理。监控中心所检测的区域十分庞大，用直观的呈现方式将每个传感器节点在地图上进行标注，使用户在选择数据的同时只需选择自己传感器节点所在的位置即可。在此选择Map Server开源的地理信息系统(GIS)，能将数据和地图相结合，并将结果上传互联网。
3．5．2 控制功能
    监控中心除了能够对数据进行一系列操作以外，还能够实现对汇聚节点的控制和对用户的通知。监控中心中的GSM／GPRS Modem在实现GPRS网络数据传输的同时，还能实现短信(SMS)的收发，并通过短信将命令发送给汇聚节点。汇聚节点对命令进行解析后，针对不同的命令做出不同的响应。

结语
    本文设计一种基于IPv6的无线高原冻土监测系统。通过现场调试，无线传感器节点能够精确地采集温度、湿度、二氧化碳、氮气的物理值，并且实现了基于IPv6的无线传感器网络。通过该网络，各传感器节点能够将数据准确无误地传输给汇聚节点。通过GPRS网络，汇聚节点能够将融合后的数据实时地传送给监控中心，监控中心将数据解析后利用GIS系统展示，并且还能利用短信系统对汇聚节点进行控制，以更好地指导环境保护和建设工作。