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　　1 引言

　　無線傳感器網絡(wireless sensor network，wsn)是一種由大量微小的集成有傳感器、數據處理單元和短距離無線通信模塊的節點組成的，能夠根據環境自主完成指定任務的智能網絡監控系統。wsn不需要固定的網絡支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，可廣泛應用于軍事偵察、環境監測、醫療監護、農業養殖和其他商業領域，以及空間探索和搶險救災等特殊領域。

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

　　2 無線傳感器網絡分析

　　2.1 無線傳感器網絡硬件組成

　　傳感器網絡的硬件設計與組網方式與應用領域密切相關。典型無線傳感器網絡在硬件上主要有三部分組成，即傳感器節點、基站(又叫終端節點、匯聚節點)和任務管理平臺。其中傳感器節點是網絡的主要組成部分，具有網絡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據處理，還要對其他節點轉發的數據進行存儲、管理和融合，它們大量分布在數據監測區域，被監測信號的物理形式決定傳感器節點類型;基站用來實現兩個通信網絡之間數據的交換，實現兩個協議棧之間的通信協議轉換、管理節點，并把收集到的數據轉發到外部網絡上。任務管理平臺對整個網絡進行檢測、管理，并對數據進行處理，通常為運行管理軟件的pc機或者手持設備。典型的無線傳感器網路組成結構如圖1所示。

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　　圖1 典型無線傳感器網絡組成結構

　　2.2 網絡協議

　　無線傳感器網絡通信協議棧主要包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。盡管目前很多研究人員已經為傳感器網絡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絡(personal area network，pan)的通信標準，把低功耗、低成本作為設計的主要目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速聯網提供統一標準。由于ieee802.15.4標準的網絡特征與無線傳感器網絡存在相似之處，很多研究機構把它作為無線傳感器網絡的通信標準[5]。

　　zigbee協議是zigbee企業聯盟基于802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準，它與802.15.4之間存在如下關系：

　　(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點;

　　(2)zigbee增加了邏輯網絡和應用軟件;

　　(3)zigbee基于ieee802.15.4射頻標準，同時zigbee聯盟通過與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負責網絡層和應用層的開發。

　　2.3 網絡層路由協議

　　協議是無線傳感器網路的靈魂，在不需其它網絡設備支持的情況下，它直接決定網絡的體系結構。從網絡層來看路由協議可以分為兩種結構類型[3]：平面型和層次型。

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

　　在層次型的路由協議中網絡以簇為單位劃分為簇頭和多個簇成員，簇頭結點負責簇間數據的轉發。簇頭可以預先指定，也可以由結點使用算法自動選舉產生。層次型結構的優點是：簇成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息，減少了網絡中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性;由于簇頭結點可以隨時選舉產生，層次型結構也具有很強的健壯性。但是層次性結構的缺點也很明顯：維護分級結構需要結點執行簇頭選舉算法，簇頭結點可能會成為網絡傳輸的瓶頸。

　　因此在設計網絡路由協議時，如果網絡的規模較小，可以采用簡單的平面式結構;而當網絡的規模增大時，應用層次結構。

　　3 分布式電磁探測系統設計

　　3.1硬件設計

　　本系統主要由子站、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，用來完成各種電法測量的功能，如電阻率、激發極化電位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絡的節點，根據不同的測量功能布置在探測區域的各個測點上。采用高性能ieee802.15.4/zigbee兼容射頻芯片cc2420作為無線收發模塊，可以使設備與采用802.15.4標準的設備實現互連互通，可工作于2.4g 免授權頻段，支持16個最大傳輸速率為250kbps 的信道;同時采用了dsss技術，具有極強的抗干擾性;內置收發射頻開關，硬件mac加密(aes-128)，支持數字rssi/lqi，與處理器的接口較為簡單，在業界處于領先水平。子站的總體設計如圖2所示。

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　　圖2 子站的總體設計框圖

　　基站實現網絡數據的交換，控制子站的數據采集和發送，并把數據發送到管理平臺，基站采用pc104嵌入式平臺設計，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的應用，它在數據采集方面速度快、精度高，適合多種軟件開發環境的運行，符合本系統的設計要求。基站的總體設計圖3所示。

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　　圖3 基站總體設計框圖

　　在野外勘探作業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命令信息對網絡進行組建、管理和檢測，控制系統的運行，并對采集的數據進行實時處理。考慮到分布式電磁探測系統的網絡組建并不復雜，測量網絡可以采用星型的平面結構，但要保證可靠性;為了保證遠點數據的傳輸必須考慮多跳路由的問題，這是路由協議設計時的一個關鍵要素。