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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430071；2.湖北省地震局，地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430071)

0 引言

在復(fù)雜野外地震觀測下，需要將地震觀測儀器、視頻會議終端設(shè)備、手持發(fā)布終端及應(yīng)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(wù)。新型的某實(shí)驗(yàn)環(huán)境拓?fù)渲邪ňW(wǎng)絡(luò)控制的多平臺無線網(wǎng)絡(luò)、組網(wǎng)觀測指揮平臺、操作中心部署、技術(shù)協(xié)作等，目的是實(shí)現(xiàn)無縫通信鏈路轉(zhuǎn)換，保障信息傳輸?shù)膶?shí)時高效。這種網(wǎng)絡(luò)典型特征是依賴于終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間在應(yīng)用層面的小型自組織網(wǎng)絡(luò)，以及終端設(shè)備和控制中心間的分布式協(xié)作，且無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可快速開設(shè)，抗毀性強(qiáng)。多數(shù)的此類研究是基于網(wǎng)絡(luò)仿真模擬軟件NS2,OPNET等工具來實(shí)現(xiàn)，本文提出一種基于RaspberryPi 4B 的無線Mesh 組網(wǎng)方法，可應(yīng)用于復(fù)雜地震觀測環(huán)境條件下的系統(tǒng)組網(wǎng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示，設(shè)計(jì)了一種基于無線Mesh 的組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在復(fù)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(wǎng)絡(luò)地震觀測系統(tǒng)主要由物理設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)接入層、數(shù)據(jù)傳輸層、軟件應(yīng)用層構(gòu)成。物理設(shè)備層主要由地震觀測儀器設(shè)備、終端PC 等，本文中以一種地震傾斜儀器設(shè)備為例；網(wǎng)絡(luò)接入層由自組織無線Mesh 組成，提供快捷、異構(gòu)、多跳、靈活分組無線網(wǎng)絡(luò)接入，同時對各個節(jié)點(diǎn)提供相應(yīng)的信息服務(wù)；數(shù)據(jù)傳輸層由路由網(wǎng)關(guān)和4G/5G 網(wǎng)關(guān)組成，負(fù)責(zé)SDH 骨干網(wǎng)、局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)間系互聯(lián)；軟件應(yīng)用層接入包含觀測數(shù)據(jù)匯聚中心，可對整體網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚收集并調(diào)整網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 無線Mesh 地震觀測組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 無線Mesh 原理

2.1 樹莓派無線Mesh 控制器設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用基于ARM 內(nèi)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(shí)際實(shí)驗(yàn)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(yīng)急地震觀測現(xiàn)場等無電源情況下應(yīng)急供電使用問題。對于不同的終端節(jié)點(diǎn)、可根據(jù)終端業(yè)務(wù)類型對軟件系統(tǒng)進(jìn)行定制，滿足不同應(yīng)用服務(wù)對無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)的軟件需求。

圖2 樹莓派實(shí)物

本設(shè)計(jì)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(jìn)行深度定制，系統(tǒng)啟動后會自動進(jìn)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(wǎng)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(jìn)行驅(qū)動注入。具體流程如圖3 所示。

圖3 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)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(cè)邊電極空間組成電容M1 與M2 。其結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，由X、Y、Z 三個重量塊組成，Q 為支撐裝置。當(dāng)測量環(huán)境下未發(fā)生傾斜時，傾斜儀內(nèi)部重量體垂直向下，當(dāng)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(shè)定此刻的偏移角度為α，如圖6 所示?？梢酝ㄟ^傾角傳感器結(jié)構(gòu)以及計(jì)算偏移角度α來確定電容M1 與M2 的大小。

圖5 傾斜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jì)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(shè)計(jì)

樹莓派中傾斜儀應(yīng)用軟件功能主要包括無線Mesh 配對與配置、實(shí)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(rèn)配置無線網(wǎng)卡為Wlan0、有線網(wǎng)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(wǎng)卡驅(qū)動，驅(qū)動正常載入后，在系統(tǒng)配置界面會顯示W(wǎng)lan1 無線網(wǎng)卡接口。完成后加載防火墻相關(guān)配置即可進(jìn)行通訊，應(yīng)用程序流程如圖7 所示。具體相關(guān)代碼如下：

圖7 傾斜儀Mesh 程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過搭建實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境，驗(yàn)證系統(tǒng)的可用性，采用RaspberryPi 4B 將節(jié)點(diǎn)0，1，2，3 分別寫入Openwrt 系統(tǒng)，并將無線Mesh 應(yīng)用程序?qū)?。?jié)點(diǎn)2，3 分別網(wǎng)絡(luò)屬性中配置為有線電口Eth0 節(jié)點(diǎn)、無線Wlan0 節(jié)點(diǎn)，以便于PC 接入終端通過有線、無線接入。

節(jié)點(diǎn)0 在本測試中作為Mesh 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)MPP，其有線網(wǎng)絡(luò)Eth0 口接入地震觀測信息中心行業(yè)網(wǎng)絡(luò)，其配置USB 無線網(wǎng)卡wlan0 作為Mesh 網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3 分別配置為MP，節(jié)點(diǎn)1、2 各接入一臺地震傾斜儀節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)3 使用有線電口和Wlan 方式接入測試終端。實(shí)驗(yàn)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(diǎn)0網(wǎng)絡(luò)狀況、數(shù)據(jù)采集情況，如表1 所示。

表1 Mesh 組網(wǎng)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(wǎng) 絡(luò) 帶 寬，iperf 可 以 測 試TCP 和UDP 協(xié) 議 下的帶寬質(zhì)量，延遲抖動信息和網(wǎng)絡(luò)丟包狀況。測試時，在Mesh 節(jié)點(diǎn)0 服務(wù)端運(yùn)行命令：iperf-i 2-s。同時在客戶端節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2 以及節(jié)點(diǎn)3 上運(yùn)行命令：iperf-i 2-c 10.42.251.116-t100?b 2M，表示Mesh 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)在tcp 模式下，服務(wù)端以2Mb/s 速率發(fā)送數(shù)據(jù)，同時對客戶端到服務(wù)端10.42.251.116 上傳帶寬進(jìn)行測試，測試時間為100s。在測試節(jié)點(diǎn)3 至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)測試

5 結(jié)束語

針對地震臺站監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜、布設(shè)成本高、建設(shè)困難等問題，本文設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)際測試表明，本設(shè)計(jì)具有組網(wǎng)靈活、低功耗、可靠性高、帶寬容量大等特點(diǎn)。經(jīng)在多個地震觀測臺站測試，達(dá)到了良好的效果，在地震行業(yè)網(wǎng)絡(luò)具備較高的實(shí)用價值。