基于IPv6的無線高原凍土監測系統

GPRS與IPv6無線網關協議轉換主要實現IPv6數據報文與GPRS報文雙向轉換。圖6為GPRS報文與IPv6報文的轉換過程。PAYLOAD為報文中的有效數據載荷。當無線網關射頻部分(PHY層)接收到數據報文，根據IPv6通信協議從PHY到IPv6幀頭解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP(UDP)／IP的報文格式交由滿足GPRS通信協議的終端設備處理，從而實現無線接收到的信息到GPRS網絡的傳輸。
3．4 針對嚴酷環境的硬件設計
雷電是自然電磁干擾源中最強的一種，雷電侵害和電磁干擾往往是多方位、多渠道的。早期的電氣設備大多具有結構簡單、體積大、絕緣水平相對較高等特點；處在強電磁場環境中，雖然也會受到電磁干擾，但由于其本身傳遞的信號較強，電磁兼容性問題也并不十分突出。因此如何防止雷電中電磁脈沖對節點的元器件本身和元器件之間的信號的影響是當今社會的研究熱點。
為此，我們采用以下幾點方法來降低節點對印制板電路上的電磁干擾。
①在器件的每個電源引腳處放置0．1μF和1．0μF的去耦電容，盡可能地靠近芯片；在整個系統的電源入口處放置100μF的大容量去耦濾波電容。
②將PCB板上不使用的空間接地，即所謂的大面積覆銅。
③外部晶振離元器件外部振蕩器引腳盡量地近。
④使用最短的連線以避免產生“天線”。
⑤使用一個1～4．7 kΩ的電阻將／RST拉為高電平。在／RST走線和地之間設一個0．1ΩF的去耦電容。
⑥將TMS、TCK、TDI引腳接固定電平。
⑦連接至系統電纜或其他電路板上的信號時應在PCB的連接點處適當地濾波。
經過以上處理后能夠將外部電磁環境對器件的影響降低到最小。
3．4．1 對高低溫環境的處理辦法
青藏高原夏季往往有強烈的高溫出現，這樣的高溫往往會使微電子系統的性能下降，甚至于會使系統崩潰。
為了解決高溫的問題，首先在系統中采用散熱片和智能降溫風扇相結合的方式。高溫環境一般出現在夏季白天。在這種環境下通常陽光充足，太陽能電池板輸出電流較大。利用系統自帶的溫度傳感器進行溫度測量，設定一定的溫度閥值，當系統溫度低于該溫度采用散熱片散熱，當系統溫度超過預設溫度時，打開降溫風扇對系統進行降溫。
青藏高原最低月平均溫度在-15～-10℃之間，因此，必須采用特殊手段才能解決節點在如此低溫的條件下的運行問題。為此設計了一種可以通過MCU控制的智能加熱系統。將銅質加熱器通過銅質熱管嵌入鋁制散熱器，在低溫時鋁制散熱器上的風扇不工作，此時鋁制散熱器充當加熱片的功能，將銅質加熱器的熱量均勻的分散到各IC上。銅質加熱器通過MCU控制，當MCU檢查到系統工作環境溫度低于設定閥值時，自動開啟加熱器。
3．4．2 對潮濕環境的處理辦法
在運行過程中，過多的水分會造成電路短路燒毀的危險，因此我們針對潮濕環境對系統做了特殊處理。具體的處理辦法是為PCB涂上一層三防漆。其特點為：
①固化速度快，對各種電路板有良好的附著力。
②三防漆具有良好的耐高低溫性能；其固化后成一層透明保護膜，具有優越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防鹽霧、防霉、防老化、耐電暈等性能。
最后，通過設計穩定的外部封裝盒來防止開放環境中的大風，大雨等惡劣天氣對系統的影響。
3．5 監控中心設計
監控中心的主要功能是對數據匯聚節點上傳的數據進行分析、管理和展示。
3．5．1 數據功能
監控中心監控的匯聚節點很多，對每種傳感器上傳的數據都必須使用不同的公式來進行物理量的反演。同類傳感器中的不同個體也存在差異，監控中心需要針對不同的傳感器個體設置不同的校正系數。由于涉及大量數據，需使用SQL Server對傳感器數據進行管理。監控中心所檢測的區域十分龐大，用直觀的呈現方式將每個傳感器節點在地圖上進行標注，使用戶在選擇數據的同時只需選擇自己傳感器節點所在的位置即可。在此選擇Map Server開源的地理信息系統(GIS)，能將數據和地圖相結合，并將結果上傳互聯網。
3．5．2 控制功能
監控中心除了能夠對數據進行一系列操作以外，還能夠實現對匯聚節點的控制和對用戶的通知。監控中心中的GSM／GPRS Modem在實現GPRS網絡數據傳輸的同時，還能實現短信(SMS)的收發，并通過短信將命令發送給匯聚節點。匯聚節點對命令進行解析后，針對不同的命令做出不同的響應。

結語
本文設計一種基于IPv6的無線高原凍土監測系統。通過現場調試，無線傳感器節點能夠精確地采集溫度、濕度、二氧化碳、氮氣的物理值，并且實現了基于IPv6的無線傳感器網絡。通過該網絡，各傳感器節點能夠將數據準確無誤地傳輸給匯聚節點。通過GPRS網絡，匯聚節點能夠將融合后的數據實時地傳送給監控中心，監控中心將數據解析后利用GIS系統展示，并且還能利用短信系統對匯聚節點進行控制，以更好地指導環境保護和建設工作。