基于IPv6的无线高原冻土监测系统

GPRS与IPv6无线网关协议转换主要实现IPv6数据报文与GPRS报文双向转换。图6为GPRS报文与IPv6报文的转换过程。PAYLOAD为报文中的有效数据载荷。当无线网关射频部分(PHY层)接收到数据报文，根据IPv6通信协议从PHY到IPv6帧头解出其中有效载荷，然后将有效载荷加载TCP(UDP)／IP的报文格式交由满足GPRS通信协议的终端设备处理，从而实现无线接收到的信息到GPRS网络的传输。
3．4 针对严酷环境的硬件设计
雷电是自然电磁干扰源中最强的一种，雷电侵害和电磁干扰往往是多方位、多渠道的。早期的电气设备大多具有结构简单、体积大、绝缘水平相对较高等特点；处在强电磁场环境中，虽然也会受到电磁干扰，但由于其本身传递的信号较强，电磁兼容性问题也并不十分突出。因此如何防止雷电中电磁脉冲对节点的元器件本身和元器件之间的信号的影响是当今社会的研究热点。
为此，我们采用以下几点方法来降低节点对印制板电路上的电磁干扰。
①在器件的每个电源引脚处放置0．1μF和1．0μF的去耦电容，尽可能地靠近芯片；在整个系统的电源入口处放置100μF的大容量去耦滤波电容。
②将PCB板上不使用的空间接地，即所谓的大面积覆铜。
③外部晶振离元器件外部振荡器引脚尽量地近。
④使用最短的连线以避免产生“天线”。
⑤使用一个1～4．7 kΩ的电阻将／RST拉为高电平。在／RST走线和地之间设一个0．1ΩF的去耦电容。
⑥将TMS、TCK、TDI引脚接固定电平。
⑦连接至系统电缆或其他电路板上的信号时应在PCB的连接点处适当地滤波。
经过以上处理后能够将外部电磁环境对器件的影响降低到最小。
3．4．1 对高低温环境的处理办法
青藏高原夏季往往有强烈的高温出现，这样的高温往往会使微电子系统的性能下降，甚至于会使系统崩溃。
为了解决高温的问题，首先在系统中采用散热片和智能降温风扇相结合的方式。高温环境一般出现在夏季白天。在这种环境下通常阳光充足，太阳能电池板输出电流较大。利用系统自带的温度传感器进行温度测量，设定一定的温度阀值，当系统温度低于该温度采用散热片散热，当系统温度超过预设温度时，打开降温风扇对系统进行降温。
青藏高原最低月平均温度在-15～-10℃之间，因此，必须采用特殊手段才能解决节点在如此低温的条件下的运行问题。为此设计了一种可以通过MCU控制的智能加热系统。将铜质加热器通过铜质热管嵌入铝制散热器，在低温时铝制散热器上的风扇不工作，此时铝制散热器充当加热片的功能，将铜质加热器的热量均匀的分散到各IC上。铜质加热器通过MCU控制，当MCU检查到系统工作环境温度低于设定阀值时，自动开启加热器。
3．4．2 对潮湿环境的处理办法
在运行过程中，过多的水分会造成电路短路烧毁的危险，因此我们针对潮湿环境对系统做了特殊处理。具体的处理办法是为PCB涂上一层三防漆。其特点为：
①固化速度快，对各种电路板有良好的附着力。
②三防漆具有良好的耐高低温性能；其固化后成一层透明保护膜，具有优越的绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防盐雾、防霉、防老化、耐电晕等性能。
最后，通过设计稳定的外部封装盒来防止开放环境中的大风，大雨等恶劣天气对系统的影响。
3．5 监控中心设计
监控中心的主要功能是对数据汇聚节点上传的数据进行分析、管理和展示。
3．5．1 数据功能
监控中心监控的汇聚节点很多，对每种传感器上传的数据都必须使用不同的公式来进行物理量的反演。同类传感器中的不同个体也存在差异，监控中心需要针对不同的传感器个体设置不同的校正系数。由于涉及大量数据，需使用SQL Server对传感器数据进行管理。监控中心所检测的区域十分庞大，用直观的呈现方式将每个传感器节点在地图上进行标注，使用户在选择数据的同时只需选择自己传感器节点所在的位置即可。在此选择Map Server开源的地理信息系统(GIS)，能将数据和地图相结合，并将结果上传互联网。
3．5．2 控制功能
监控中心除了能够对数据进行一系列操作以外，还能够实现对汇聚节点的控制和对用户的通知。监控中心中的GSM／GPRS Modem在实现GPRS网络数据传输的同时，还能实现短信(SMS)的收发，并通过短信将命令发送给汇聚节点。汇聚节点对命令进行解析后，针对不同的命令做出不同的响应。

结语
本文设计一种基于IPv6的无线高原冻土监测系统。通过现场调试，无线传感器节点能够精确地采集温度、湿度、二氧化碳、氮气的物理值，并且实现了基于IPv6的无线传感器网络。通过该网络，各传感器节点能够将数据准确无误地传输给汇聚节点。通过GPRS网络，汇聚节点能够将融合后的数据实时地传送给监控中心，监控中心将数据解析后利用GIS系统展示，并且还能利用短信系统对汇聚节点进行控制，以更好地指导环境保护和建设工作。