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1、无线传感网络技术在地震监测中的应用班级：B130103 学号：Q12010330 姓名：臧鹏前言我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带两大世界地震带之间，属于一个地震多发国家。无论是 1920 年的宁夏海原地震，1976 年的河北唐山地震，还是 2008 年的汶川地震和 2010 年的玉树地震，都带来了极其惨重的人员和经济损失。因此，对地震进行有效的监控和预警是一项极其必要的措施。地震是由地壳变化释放能量在地表形成机械波传递的现象。因此安置在地表的振动传感器可以用来检测地震的发生和强度。虽然有线网络是现在常用的重要信息传输方式，但其对一些人力难以到达的极端恶劣环境无法进行有效地监控，且在应急环境下
2、有线网络往往容易遭到破坏。而无线传感网络相较于传统的有线网络和其他无线网络，具有自组织和自治愈的特点，因而更能适应复杂多变的环境。同时，无线传感网络节点体积小巧，不许现场拉线供电，非常方便在应急情况下进行灵活部署监测并预测地震灾害的发生情况。用户需求通过传感器获取地震发生时的振动信号，以无线方式将获取的检测信号传送到监控中心，通过对数据的分析进行相应的监控和预警。细节要求1 网络节能性要求高。进行地震监测的无线传感器网络分布范围广，规模大，且地形十分复杂，节点电池的更换几乎是不可能的，因此网络及网络中的节点应该尽量减少能源消耗以延长寿命。能源的高效使用是设计的首要要求。2 工作机制要求特殊。地
3、震发生概率非常低且具有随机性，其发生是不可预估的，因此传统的时间周期性传递信息方式是不合适的，需要使用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 自组织性要求高。用于地震监测的无线传感网络节点易由于能量耗尽或被外界因素破坏而失效，同时也可能增加节点以弥补失效或扩大监测范围、精度，从而使得网络的拓扑结构也随之变化。这就要求网络具有较强的自组织性来适应这种拓扑结构的动态变化。系统方案设计大量传感器节点按一定
4、规则分布于复杂环境下的被监控区域，通过自组织方式构成网络进行数据采集；传感器网络节点将采集到的数据单跳传递给簇头节点，簇头节点逐条传输，经过单跳或多跳后到达网关节点；由网管节点通过公共移动通信网络传输到地震监控中心进行集中处理和预警工作。具体实现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。无线传感器节点模块路由协议选择根据地震实时发生的特性，选择 APTEEN 协议，APTEEN（Adaptive Periodic Threshold-sensitive Energ
5、y 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，
6、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
7、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，节点就不会传输任何数据，导致用户在某段时间不知道节点是否死亡。 在能量分布和网络生存时间的指标上，TEEN 和 APTEEN 的性能都要优于 LEACH 协议，TEEN 的缺点是不能实现数据的周期性采集，如果网络节点没有接收到相关阈值，那么节点就不会与簇头进行通信，用户也就完全得不到网络的任何数据。APTEEN 协议在 TEEN 的基础上面加入了对周期性事件报告的支持。APTEEN 获得了较好的性能的指标,APTEEN 很好地减少了
8、网络数据量，提高了网络利用率和网络生存时间。 传感器节点采用以下工作过程：读取传感器的值，并把该值和设定的阈值相比较，当小于阈值时，就以 30s 为周期循环采集监测值；当超过阈值时，就回传至监测管理中心并报警。为了减少系统的数据传输量并能准确及时的对地震监测进行预报，只有当测得的传感器值达到阈值的 34 时，才通过多跳路由对数据进行转发，并最终通过 GPRS 网关发送到远程监控中心。MAC 协议选择SMACS 协议是一种分布式协议，允许一个节点集发现邻居并进行收发信道的分配，不需要全局节点来进行分配。为了实现这种机制，SMACS 协议将邻居发现和信道分配进行了组合。 SMACS 协议在发现相邻
9、节点之间存在链路后立即分配信道，当所有节点都发现邻居后这些节点就组成一个互连的网络，网络中节点两两之间至少存在一个多跳路径。由于邻近节点分配的时隙有可能产生冲突，为了减少冲突的可能性，每个链路都分配一个随机选择的频点，相邻链路都有不同的工作频点。从这点上来讲，SMACS协议结合了 TDMA、FDMA 的基本思想。当链路建立后，节点在分配的时隙中打开射频部分，与邻居进行通信，如果没有数据收发，则关闭射频部分进行睡眠；在其余时隙节点关闭射频部分，降低能量损耗。 此外，如 TDMA，节点只在分配给自己的时隙中打开射频部分，其它时隙关闭射频部分，避免了冗余接收，进一步降低了能量损耗。但是分配型 MAC
10、 协议通常需要网络中的节点形成簇，不能灵活地适应网络拓扑结构的变化。 SMACS 提出了一种 TDMA/FDMA 结合的信道分配机制，该协议不需要集中控制的算法，可用来建立一种平面结构的网络。通过为每对时隙分配随机的载波频率，SMACS 协议避免了全局时间同步，减少了复杂性。通过在超帧未分配的时隙进行睡眠，SMACS 协议减少了空闲监听和串扰，提供了较好的能量效率。 此外，TRAMA 具有较高吞吐量及较好的节能效果，但是它的时延比较大，不适合地震监测，因此，我们选择了 SMACS，无需全局范围内的时间同步，避免冲突，降低网络负载。结论基于无线传感网络的地震监测系统的应用，对于地震工程研究和防震减灾具有实际意义。它具有自动化程度高，可一天 24h 自动监控、易于维护等优点。通过结合 LTE 通信技术，实现对地震监测区域的远程实时监测。同时采用的 APTEEN 协议，既可以实时性地收集到数据，也可以周期性地得到监测数据。而结合通信技术可以在监测到地震的同时立即向周围手机发送预警短信提醒人们及时避难，这对于地震中伤亡的减少具有重要意义。该系统还具有易于一直到其他应用领域的优点，例如更换不同的采集板，还可以很方便地应用于环境监测、大坝监测、矿井监测、隧道监测、森林保护等领域。
