唐　松，尼瑪扎西，高定國(guó)（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩850000）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

唐松，尼瑪扎西，高定國(guó)
（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩850000）

介紹了開展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用研究的必要性，提出了青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要研究開發(fā)內(nèi)容、應(yīng)用場(chǎng)景、節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。指出青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)時(shí)、便捷、節(jié)能的特點(diǎn)，能有效促進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的凍土監(jiān)測(cè)示范系統(tǒng)的部署和建立。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)；節(jié)點(diǎn)；示范系統(tǒng)

1　開展應(yīng)用研究的必要性

當(dāng)前青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)主要采用人工巡視和電子設(shè)備監(jiān)控的方式，但這兩種方式不能同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)時(shí)、便捷、節(jié)能的監(jiān)測(cè)要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）兼具這些特點(diǎn)，因此開展對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路沿線凍土環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性研究，并建立示范系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證和展示具有重要意義，可為今后無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)方面大規(guī)模的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

青藏鐵路是世界工程建設(shè)史上的一個(gè)偉大創(chuàng)舉，但由于青藏鐵路主要路段鋪設(shè)在生態(tài)環(huán)境脆弱的青藏高原，并且其中長(zhǎng)達(dá)632 km的路基位于多年凍土區(qū)（大片連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度約550 km，島狀不連續(xù)多年凍土區(qū)長(zhǎng)度82 km），所以由鐵路運(yùn)輸帶來(lái)的人類活動(dòng)對(duì)高原環(huán)境（包括對(duì)凍土層）的影響成為了全世界關(guān)注的問題，而由此引起的凍土層變化對(duì)路基穩(wěn)定性和鐵路安全性的影響也成為各方面研究的重點(diǎn)［1］。因此，有必要在青藏鐵路所處的高原高寒、氣候惡劣、人煙稀少、交通不便的多年凍土區(qū)建立具備數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)傳輸、自動(dòng)分析處理功能的無(wú)人值守長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)凍土狀態(tài)數(shù)據(jù)（如凍土表面和內(nèi)層的溫濕度、淺層地表溫度、活動(dòng)層熱狀況、水分動(dòng)態(tài)變化等）進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)地采集。只有在該類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持下對(duì)凍土變化進(jìn)行長(zhǎng)期不間斷和大范圍地?cái)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控，才能分析和評(píng)估青藏鐵路的運(yùn)輸安全、環(huán)境保護(hù)問題。但在長(zhǎng)達(dá)632 km的高原高寒多年凍土路段建立多測(cè)點(diǎn)、長(zhǎng)距離、長(zhǎng)期的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是亟待解決的重要技術(shù)難題。

青藏高原多年凍土區(qū)大多屬高溫凍土，年平均氣溫高，凍土厚度較薄，熱穩(wěn)定性差，對(duì)環(huán)境熱狀態(tài)變化的敏感性大，極易受工程的影響產(chǎn)生融化下沉［2］。隨著全球氣溫逐步上升，鐵路工程必定擾動(dòng)凍土表面和路基的穩(wěn)定性，也難以消除對(duì)沿線凍土環(huán)境引起的負(fù)面作用，突出表現(xiàn)為改變凍土區(qū)域表面環(huán)境，干擾、破壞凍土層水熱狀態(tài)，造成路基冷凍膨脹變形和受熱融化沉陷等現(xiàn)象，給列車安全行駛帶來(lái)嚴(yán)重威脅。凍土退化所引起的凍土環(huán)境變化不僅僅局限于凍土層內(nèi)，更明顯地表現(xiàn)為對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。凍土退化使其削弱甚至失去涵養(yǎng)水源的能力，依附于凍土層表面、提供高原植物生命源泉的凍結(jié)層地下水水位連續(xù)降低，甚至可能不復(fù)存在，因此可引發(fā)高寒草地的退化，在青藏高原劇烈的溫差環(huán)境條件下，更進(jìn)一步導(dǎo)致土地荒漠化、沙漠化、鹽漬化加劇。同時(shí)，凍土退化導(dǎo)致植物數(shù)量、種類和覆蓋率下降，使田鼠等食草性動(dòng)物大量繁殖，加劇了草原退化和青藏高原生態(tài)環(huán)境的惡性循環(huán)。有關(guān)專家指出，凍土退化引發(fā)的水環(huán)境變異和沼澤濕地等結(jié)構(gòu)的改變將影響到熱量平衡和輻射平衡的變化，很可能會(huì)造成青藏高原氣候惡化，同時(shí)影響到青藏鐵路的安全［3］。

青藏鐵路的成功建設(shè)標(biāo)志著中國(guó)是繼俄羅斯之后世界上第2個(gè)掌握凍土工程施工的國(guó)家。但高原凍土狀態(tài)的穩(wěn)定性易受氣候和鐵路運(yùn)營(yíng)影響［4］，出于鐵路運(yùn)輸安全考慮，必須實(shí)時(shí)、精確、全方位監(jiān)控青藏鐵路凍土區(qū)域。長(zhǎng)期積累的觀測(cè)數(shù)據(jù)有利于正確評(píng)估青藏鐵路對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，并能有針對(duì)性地設(shè)計(jì)與實(shí)施環(huán)境保護(hù)方案和措施。此外，若WSN監(jiān)控中心收到報(bào)警信息或從監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)凍土區(qū)存在險(xiǎn)情，青藏鐵路管理中心可及時(shí)應(yīng)對(duì)，通知現(xiàn)場(chǎng)工作人員或最近的值班人員做出應(yīng)急處理，確保西藏運(yùn)輸動(dòng)脈——青藏鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

2　主要研究開發(fā)內(nèi)容和應(yīng)用場(chǎng)景

目前，使用無(wú)線化、智能化、數(shù)字化的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可對(duì)青藏鐵路沿線的某些凍土區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。凍土狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)WSN進(jìn)行采集和預(yù)處理，當(dāng)溫度或濕度數(shù)值超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)自主發(fā)送報(bào)警信息給監(jiān)控中心和值班人員，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線中繼和有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)千公里外的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分類存儲(chǔ)和研究分析?；谒杉降拈L(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，可研究和分析凍土退化與鐵路運(yùn)輸活動(dòng)以及季節(jié)變化等因素之間的相互作用關(guān)系［5］，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，全世界對(duì)凍土問題感興趣的研究人員均可以共享這些數(shù)據(jù)和成果。因此，青藏鐵路凍土監(jiān)控的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要研究開發(fā)內(nèi)容包括：①青藏鐵路凍土監(jiān)控的WSN的適用性調(diào)研和合理方案規(guī)劃；②基于WSN的青藏鐵路凍土監(jiān)控示范系統(tǒng)的部署和創(chuàng)建；③凍土監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和研發(fā)。

圖1是構(gòu)建青藏鐵路凍土監(jiān)控的WSN應(yīng)用場(chǎng)景。在青藏鐵路沿線凍土區(qū)域部署大量隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變而動(dòng)態(tài)調(diào)整區(qū)域監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的WSN節(jié)點(diǎn)。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，一個(gè)WSN由數(shù)個(gè)簇（cluster）組成，簇由一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)組成。簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)和一個(gè)簇首（cluster header）。分布于凍土層表面的普通節(jié)點(diǎn)自動(dòng)采集地表溫濕度、光照強(qiáng)度等信息，分布于凍土層內(nèi)層的普通節(jié)點(diǎn)自動(dòng)采集凍土層內(nèi)層不同深度的溫濕度信息。信息通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送到簇首。類似于網(wǎng)關(guān)作用的簇首運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)索引（data index），并傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)（sink node）。匯聚節(jié)點(diǎn)將WSN連接到鐵路沿線已有的廣域網(wǎng)絡(luò)上，并最終通過(guò)廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)接和通信。數(shù)據(jù)中心通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接收或查詢來(lái)自凍土區(qū)的WSN監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。最后在數(shù)據(jù)中心，使用專家系統(tǒng)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析凍土變化規(guī)律，評(píng)估、預(yù)測(cè)凍土狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1　青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)的WSN應(yīng)用場(chǎng)景

3　節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分成3類：匯聚節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)發(fā)送、接收功能，所以WSN節(jié)點(diǎn)包含無(wú)線通信模塊和微處理模塊等器件。傳感器節(jié)點(diǎn)主要采集青藏鐵路凍土區(qū)域表面信息（光照強(qiáng)度、溫濕度）和內(nèi)層中的信息（溫濕度），經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理器處理后，通過(guò)射頻模塊傳輸至鄰接點(diǎn)。此鄰接點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，即把鄰接點(diǎn)傳輸?shù)男畔鬏斨辆啻厥坠?jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)或簇首節(jié)點(diǎn)［6］，再把數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成4個(gè)模塊（如圖2所示），其中：供電模塊保證節(jié)點(diǎn)有效使用期限長(zhǎng)、集成化程度高，所以電池具備容量大、體積小的特點(diǎn)；無(wú)線傳輸模塊確保相隔很近的節(jié)點(diǎn)間維持通信且耗能少；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集凍土層表面溫濕度和光照強(qiáng)度以及凍土層內(nèi)層中的溫濕度信息；數(shù)據(jù)處理模塊分析、處理和存儲(chǔ)通過(guò)I2C方式傳輸?shù)膫鞲衅鞑杉畔?。?jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)是采用低功耗的單片機(jī)MSP430F1611和微型傳感器，它們可實(shí)時(shí)地采集、處理凍土區(qū)域表層的溫濕度、光照強(qiáng)度參數(shù)，以及凍土內(nèi)層的溫濕度參數(shù)。

圖2　節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

3.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)溫濕度傳感器采集青藏鐵路凍土區(qū)域表面和內(nèi)層的溫濕度信息，通過(guò)光照強(qiáng)度傳感器采集青藏鐵路凍土區(qū)域表面的光照強(qiáng)度信息，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理。

3.1.1節(jié)點(diǎn)溫濕度傳感器

青藏鐵路凍土區(qū)域表面和內(nèi)層的溫濕度測(cè)量采用數(shù)字式顯示傳感器SHTll，它具有I2C總線接口，且單片全校準(zhǔn)功能的實(shí)現(xiàn)是基于二線串行接口結(jié)構(gòu)，一體化集成濕度和溫度測(cè)量。圖3為SHTll和微處理器的引腳連線。時(shí)鐘線（SCK）和數(shù)據(jù)線（DATA）通過(guò)引出兩條I/O端口線實(shí)現(xiàn)，GND和VDD端連接1只去耦電容的兩極，DATA端口連接1只上拉電阻的一端。通過(guò)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳送。

圖3　SHT11和微處理器的引腳連線

3.1.2節(jié)點(diǎn)光照強(qiáng)度傳感器

選用TSL230B光照強(qiáng)度傳感器測(cè)量青藏鐵路凍土區(qū)域表面的光照輻射強(qiáng)度。此傳感器主要組成部分為L(zhǎng)inCMOS電流頻率集成轉(zhuǎn)換器，可以轉(zhuǎn)換高分辨率的光照頻率，且無(wú)需借助任何外接器件。光照強(qiáng)度是TSL230B方波或三角波的頻率輸出的唯一決定因子。TSL230B具有與微處理器直接相連（圖4為它們的連線方式）和分辨率高的特點(diǎn)。此光強(qiáng)傳感器的靈敏度控制端是S1、S0端口，分頻系數(shù)選擇端為S3、S2端口，信號(hào)輸出端是OUT端口。單片機(jī)獲得輸入信號(hào)時(shí)，通過(guò)計(jì)數(shù)算出兩次獲得的信號(hào)數(shù)值差，由此可算出頻率輸出值，并根據(jù)頻率輸出值-光照強(qiáng)度關(guān)系轉(zhuǎn)換表最終得出計(jì)量單位為W/cm2的光照強(qiáng)度。

圖4　TSL230B和微處理器引腳連線

3.2節(jié)點(diǎn)微控制器模塊

節(jié)點(diǎn)的控制中心是微控制器，其性能對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能起到?jīng)Q定性作用。系統(tǒng)選用16bitRISC混合信號(hào)處理器MSP430F1611。此芯片具有精度高、集成度高、功耗非常低的特點(diǎn)，在1.5～3.5 V都能正常工作［7-8］，活動(dòng)模式工作電流為325μA，休眠模式電流為1.1μA，關(guān)閉狀態(tài)電流為0.2 μA。該芯片外設(shè)具有2路12 bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和8路12bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，性價(jià)比獲得很大提升。系統(tǒng)包含3個(gè)時(shí)鐘信號(hào)：DCO、低頻時(shí)鐘和高頻時(shí)鐘各1個(gè)。時(shí)鐘可以根據(jù)具體需要靈活選擇，保證整個(gè)系統(tǒng)工作于最合理的時(shí)鐘頻率。該芯片外圍接口包括I2C接口、SPI接口和標(biāo)準(zhǔn)串口，便于多種設(shè)備連接。MSP430F1611內(nèi)部存儲(chǔ)空間充足，包括容量為50 kB的Flash和容量為10 kB的RAM，為軟件協(xié)議的正?；\(yùn)行、便捷設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了保障。系統(tǒng)還具備中斷激活特性，通過(guò)中斷可使單片機(jī)從Sleep模式喚醒為Active模式，極大節(jié)約了節(jié)點(diǎn)的能耗，對(duì)青藏鐵路無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.3節(jié)點(diǎn)射頻通信模塊

本系統(tǒng)基于節(jié)點(diǎn)節(jié)能和延長(zhǎng)有效壽命的原則，選擇CC2420射頻芯片。青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MSP430F1611工作模式為主機(jī)模式，CC2420工作模式為從機(jī)模式，緩沖器內(nèi)的信息讀寫和CC2420寄存器參數(shù)設(shè)置均通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)。圖5是具體的引腳連線。CC2420特點(diǎn)如下：采用有源RF發(fā)送、接收信息；工作頻段是2.4 GHz；支持IEEE802.15.4協(xié)議；可實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電量；采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)；發(fā)送、接收信息的速率都可達(dá)250 kb/s；具有128字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)［9-11］；發(fā)送、接收信息的工作電流各低至17.5 mA和18.5 mA，能耗少；可選擇外部或內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器，兩者調(diào)節(jié)的電壓分別為1.5～2.0 V和2.0～3.5 V，電源電壓低；通過(guò)四線SPI總線（CSn、SCLK、SO和SI）實(shí)現(xiàn)狀態(tài)寄存器和緩存信息的讀/寫；可進(jìn)行CC2420的工作模式設(shè)定等。

圖5　CC2420和MCU引腳連線

3.4節(jié)點(diǎn)供電模塊

結(jié)合青藏鐵路沿線環(huán)境極端、某些路段或某些時(shí)間段無(wú)人值守，以及節(jié)點(diǎn)沿鐵軌分布的實(shí)際情況，需要盡量減少網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整次數(shù)，同時(shí)為利用西藏日照時(shí)間長(zhǎng)且強(qiáng)度大的太陽(yáng)能資源，凍土層表面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能和電池雙供電系統(tǒng)。在挑選電子原件時(shí)，系統(tǒng)從盡量減少能耗的角度出發(fā)，將各模塊的工作電壓控制在2.5～3.5 V的低水平范圍內(nèi)。所以，凍土層表面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)白天啟用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，夜間切換至電池供電系統(tǒng)，如果是兩節(jié)5AA的電池，電池容量為1.5 A/h，夜間每隔1 min測(cè)量1次溫濕度和光照強(qiáng)度，再考慮少量的能量損耗，可計(jì)算出凍土層表面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)供電時(shí)限最短為1年。

3.5節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)核心

青藏鐵路無(wú)線傳感器凍土監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的高原環(huán)境要求節(jié)點(diǎn)體積盡量小，所以選擇的電子元件在同類型中是最小的。然而在電路板布線設(shè)計(jì)時(shí)，若節(jié)點(diǎn)體積超過(guò)限度，太近的線路可能導(dǎo)致干擾產(chǎn)生，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于抗干擾設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)電路板可設(shè)計(jì)成4層結(jié)構(gòu)，CC2420底部接地層通過(guò)多個(gè)過(guò)孔實(shí)現(xiàn)，沒有布線之處敷銅且接地，與器件近距離地放置濾波電容。與此同時(shí)，出于盡量降低電磁干擾的目的，最好隔離模擬電源和數(shù)字電源，一般可采用0Ω磁珠或者電阻來(lái)進(jìn)行隔離。應(yīng)盡量避開樹木和隧道墻壁進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布設(shè)，以減少樹木和隧道墻壁對(duì)電磁波的吸收，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4　節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

基于OSI（open system interconnection model）模型設(shè)計(jì)了通信協(xié)議，從監(jiān)控節(jié)點(diǎn)易于設(shè)計(jì)、開發(fā)的角度出發(fā)，選用ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）的通用型結(jié)構(gòu)。ZigBee聯(lián)盟制定的ZigBee協(xié)議主要應(yīng)用于低成本、低能耗設(shè)備的短距離、低速的無(wú)線互連通信，其優(yōu)點(diǎn)與青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求相符。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口的架構(gòu)設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用程序接口的框架包括了ZigBee設(shè)備對(duì)象、應(yīng)用支持子層等。IEEE802.15.4適用于OSI模型倒數(shù)第二層的媒質(zhì)訪問控制（MAC：Medium Access Control）子層和底層的物理層（PHY：Physical Layer）。圖6為Z-Stack模型結(jié)構(gòu)，含有管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)的服務(wù)接入點(diǎn)以便讓相鄰層級(jí)之間連通。通過(guò)對(duì)應(yīng)的服務(wù)原語(yǔ)，每個(gè)層級(jí)能夠服務(wù)于其鄰接層。

圖6　節(jié)點(diǎn)ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

圖7為節(jié)點(diǎn)工作流程。Z-Stack采用事件輪循機(jī)制極大地減少了系統(tǒng)的能耗，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)有效壽命。各模塊初始化后，系統(tǒng)進(jìn)入低能耗掃描隧道的休眠模式，信號(hào)在事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生并通過(guò)信道傳播。系統(tǒng)掃描到信號(hào)后被喚醒，I/O中斷進(jìn)行事件的響應(yīng)處理，處理結(jié)束后重返初始的休眠模式［12-15］。假如若干事件同時(shí)發(fā)生，先進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷，按照優(yōu)先級(jí)等級(jí)對(duì)事件進(jìn)行排序和響應(yīng)處理?；诔绦虼a的可移植性、可讀性、運(yùn)行穩(wěn)定性和高效性的設(shè)計(jì)原則，以IAR Workbench V4.30作為軟件開發(fā)平臺(tái)，選用C語(yǔ)言編程。

圖7　節(jié)點(diǎn)工作流程

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在凍土地帶所建立的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷的數(shù)據(jù)采集和處理，分析凍土隨溫度變化而發(fā)生的變化，從而減少這種變化對(duì)青藏鐵路帶來(lái)的危害以及全球氣候變暖對(duì)青藏高原環(huán)境的進(jìn)一步影響，同時(shí)對(duì)凍土變化引起的鐵軌變形等危情做出預(yù)警。這樣，對(duì)于因交通流量和工程活動(dòng)引起的凍土和地表環(huán)境的變化，以及由于凍土層的變化而引起的鐵路路基和軌道的變化［16-17］，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將提供一種全新的監(jiān)控手段，對(duì)青藏鐵路的安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路上的成功應(yīng)用將對(duì)我國(guó)各高寒地區(qū)凍土監(jiān)測(cè)起到重要的示范作用和影響。進(jìn)一步地，如果在面向特定環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系，將具有信息準(zhǔn)確而全面、反饋周期短、時(shí)效性強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，可在我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益不可估量?，F(xiàn)階段無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還未形成大規(guī)模的市場(chǎng)應(yīng)用，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為開展這一領(lǐng)域的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了良好的試驗(yàn)環(huán)境和機(jī)遇，有利于西藏在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。

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（責(zé)任編輯楊黎麗）

Application Research of W ireless Sensor Networks in A rea of Qinghai-Tibet Railway Perm afrost M onitoring

TANG Song，NIMA Zha-xi，GAO Ding-guo
（Institute of Technology，Tibet University，Lhasa 850000，China）

The necessity to carry out the applied research of wireless sensor networks in permafrost monitoring areas of Qinghai-Tibet railway was discussed，and the primary research and development content，application scenarios，the node hardware design and software design of Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoringwireless sensor networkswere proposed.Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoringwireless sensor networks have the features of economic，efficient，real-time，convenientand energy-saving，which can effectively promote the deployment and establishment of the demonstration systems ofwireless sensor networks permafrostmonitoring.

wireless sensor networks；Qinghai-Tibet railway permafrostmonitoring；node；demonstration systems

TP212

A

1674-8425（2015）05-0112-07

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.020

2014-12-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61331013）；計(jì)算機(jī)及藏文信息技術(shù)國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

唐松（1985—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事網(wǎng)絡(luò)與信息安全研究；尼瑪扎西（1964—），男（藏族），西藏山南人，教授，主要從事網(wǎng)絡(luò)與信息安全、藏文信息處理技術(shù)研究。

唐松，尼瑪扎西，高定國(guó).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在青藏鐵路凍土監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（5）：112-118.

format：TANG Song，NIMA Zha-xi，GAO Ding-guo.Application Research ofWireless Sensor Networks in Area of Qinghai-Tibet Railway Permafrost Monitoring［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：112-118.