基于無線Mesh 的地震觀測儀器組網與實現(xiàn)

吳昊

(1.中國地震局地震研究所，中國地震局地震大地測量重點實驗室，湖北武漢，430071；2.湖北省地震局，地震預警湖北省重點實驗室，湖北武漢，430071)

0 引言

在復雜野外地震觀測下，需要將地震觀測儀器、視頻會議終端設備、手持發(fā)布終端及應用系統(tǒng)等互連，為地震觀測環(huán)境現(xiàn)場各類傳感器、視頻會議平臺和地震觀測指揮控制系統(tǒng)提供信息交換與傳輸?shù)乃接衅脚_，提供語音、數(shù)據(jù)、視頻、圖像等業(yè)務。新型的某實驗環(huán)境拓撲中包括網絡控制的多平臺無線網絡、組網觀測指揮平臺、操作中心部署、技術協(xié)作等，目的是實現(xiàn)無縫通信鏈路轉換，保障信息傳輸?shù)膶崟r高效。這種網絡典型特征是依賴于終端設備與網絡設備之間在應用層面的小型自組織網絡，以及終端設備和控制中心間的分布式協(xié)作，且無需架設網絡設施，可快速開設，抗毀性強。多數(shù)的此類研究是基于網絡仿真模擬軟件NS2,OPNET等工具來實現(xiàn)，本文提出一種基于RaspberryPi 4B 的無線Mesh 組網方法，可應用于復雜地震觀測環(huán)境條件下的系統(tǒng)組網。

1 系統(tǒng)整體結構及設計方案

如圖1 所示，設計了一種基于無線Mesh 的組網網絡系統(tǒng)。在復雜的地震觀測環(huán)境條件下，系統(tǒng)一方面要與各地震觀測儀器終端通信，另一方面要為觀測數(shù)據(jù)中心收集傳輸數(shù)據(jù)。整個無線Mesh 網絡地震觀測系統(tǒng)主要由物理設備層、網絡接入層、數(shù)據(jù)傳輸層、軟件應用層構成。物理設備層主要由地震觀測儀器設備、終端PC 等，本文中以一種地震傾斜儀器設備為例；網絡接入層由自組織無線Mesh 組成，提供快捷、異構、多跳、靈活分組無線網絡接入，同時對各個節(jié)點提供相應的信息服務；數(shù)據(jù)傳輸層由路由網關和4G/5G 網關組成，負責SDH 骨干網、局域網、物聯(lián)網等網間系互聯(lián)；軟件應用層接入包含觀測數(shù)據(jù)匯聚中心，可對整體網絡數(shù)據(jù)匯聚收集并調整網絡架構。

圖1 無線Mesh 地震觀測組網結構

2 無線Mesh 原理

2.1 樹莓派無線Mesh 控制器設計

在本系統(tǒng)設計中，采用基于ARM 內核的成熟硬件開源平臺RaspberryPi 4B，如圖2 所示。該開發(fā)板可使用兩種不同方式供電：一種方案可使用TYPE-C 口通過5V_USB 電源適配器方式供電，另一種則采用鋰電池方式直接供電。在實際實驗時，通過TYPE-C 口移動電源給RaspberryPi 4B 可提供5～6H 左右供電時間，可滿足斷市電、應急地震觀測現(xiàn)場等無電源情況下應急供電使用問題。對于不同的終端節(jié)點、可根據(jù)終端業(yè)務類型對軟件系統(tǒng)進行定制，滿足不同應用服務對無線Mesh 網絡的軟件需求。

圖2 樹莓派實物

本設計中，系統(tǒng)使用一張16Gb 存儲卡燒錄專用鏡像Openwrt?brcm2711**.img，該 鏡 像 文 件OpenWRT 專 用 適 配RaspberryPi 4B 進行深度定制，系統(tǒng)啟動后會自動進入lede自帶的Openwrt 配置管理界面。RaspberryPi 4B 自帶的WiFi 芯片并不提供Mesh 組網功能，在本例中需添加支持無線Mesh 功能的USB WiFi 模組TLSR8253F51，將該USB 模塊直接插入樹莓派提供的USB 口，待系統(tǒng)啟動后可直接被系統(tǒng)識別，無須額外進行驅動注入。具體流程如圖3 所示。

圖3 無線Mesh 網絡初始化流程圖

3 地震前兆觀測傾斜儀原理

傾斜儀中部是由鈹青銅類合金加工合成的敏感電子器件，中間由聚合填充物充滿，同固定兩側邊電極空間組成電容M1 與M2 。其結構如圖4 所示。

圖4 地震前兆觀測傾斜儀原理圖

3.1 傾角傳感器電壓差算法

如圖5 所示為地震前兆觀測傾斜儀內部結構，由X、Y、Z 三個重量塊組成，Q 為支撐裝置。當測量環(huán)境下未發(fā)生傾斜時，傾斜儀內部重量體垂直向下，當傾斜儀器傳感部位發(fā)生傾斜時，鈹青銅類合金塊即發(fā)生位移，設定此刻的偏移角度為α，如圖6 所示?？梢酝ㄟ^傾角傳感器結構以及計算偏移角度α來確定電容M1 與M2 的大小。

圖5 傾斜儀內部結構圖

圖6 傾斜儀偏移角度

電容M2 中A 區(qū)域的電容大小為：

為了計算偏移角度，在傾角傳感器兩片電極上加載方波信號ST,其頻率為rω，1R、2R分別為M1 與M2 相連接的電阻的值，左右兩片電極此時電壓分別使用VA、V B表示：

3.2 傾斜儀Mesh 程序設計

樹莓派中傾斜儀應用軟件功能主要包括無線Mesh 配對與配置、實時傾斜儀狀態(tài)顯示、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲與索引等。RaspberryPi 4B 啟動后，OpenWRT 系統(tǒng)默認配置無線網卡為Wlan0、有線網卡為Eth0；本例中為了適用無線Mesh，系統(tǒng)會自動加載USB 口無線網卡驅動，驅動正常載入后，在系統(tǒng)配置界面會顯示Wlan1 無線網卡接口。完成后加載防火墻相關配置即可進行通訊，應用程序流程如圖7 所示。具體相關代碼如下：

圖7 傾斜儀Mesh 程序流程圖

4 實驗結果與分析

通過搭建實驗測試環(huán)境，驗證系統(tǒng)的可用性，采用RaspberryPi 4B 將節(jié)點0，1，2，3 分別寫入Openwrt 系統(tǒng)，并將無線Mesh 應用程序導入。節(jié)點2，3 分別網絡屬性中配置為有線電口Eth0 節(jié)點、無線Wlan0 節(jié)點，以便于PC 接入終端通過有線、無線接入。

節(jié)點0 在本測試中作為Mesh 網關節(jié)點MPP，其有線網絡Eth0 口接入地震觀測信息中心行業(yè)網絡，其配置USB 無線網卡wlan0 作為Mesh 網絡接入設備。節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3 分別配置為MP，節(jié)點1、2 各接入一臺地震傾斜儀節(jié)點，節(jié)點3 使用有線電口和Wlan 方式接入測試終端。實驗中使用TYPE-C 口提供5V 電壓為樹莓派4B 供電，也可以使用移動電源供電。分別使用PC 終端和移動終端測試無線Mesh 節(jié)點0網絡狀況、數(shù)據(jù)采集情況，如表1 所示。

表1 Mesh 組網功能測試

在測試環(huán)境下，使用iperf 命令工具測試丟包率以及Mesh 網 絡 帶 寬，iperf 可 以 測 試TCP 和UDP 協(xié) 議 下的帶寬質量，延遲抖動信息和網絡丟包狀況。測試時，在Mesh 節(jié)點0 服務端運行命令：iperf-i 2-s。同時在客戶端節(jié)點1、節(jié)點2 以及節(jié)點3 上運行命令：iperf-i 2-c 10.42.251.116-t100?b 2M，表示Mesh 網絡各節(jié)點在tcp 模式下，服務端以2Mb/s 速率發(fā)送數(shù)據(jù)，同時對客戶端到服務端10.42.251.116 上傳帶寬進行測試，測試時間為100s。在測試節(jié)點3 至網關節(jié)點0 時，選擇5Mb/s 的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。如圖8所示為測試情況。

圖8 Mesh 網絡測試

5 結束語

針對地震臺站監(jiān)測系統(tǒng)布線復雜、布設成本高、建設困難等問題，本文設計了一種基于Cortex-A72 核心的RaspberryPi 4B 開發(fā)平臺的無線Mesh 地震臺站行業(yè)網絡傳輸系統(tǒng)。經實際測試表明，本設計具有組網靈活、低功耗、可靠性高、帶寬容量大等特點。經在多個地震觀測臺站測試，達到了良好的效果，在地震行業(yè)網絡具備較高的實用價值。