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。

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0g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

①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。

②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。

③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-sensitive Energy Efficient sensor Network protocol)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