基于无线Mesh 的地震观测仪器组网与实现

吴昊

(1.中国地震局地震研究所，中国地震局地震大地测量重点实验室，湖北武汉，430071；2.湖北省地震局，地震预警湖北省重点实验室，湖北武汉，430071)

0 引言

在复杂野外地震观测下，需要将地震观测仪器、视频会议终端设备、手持发布终端及应用系统等互连，为地震观测环境现场各类传感器、视频会议平台和地震观测指挥控制系统提供信息交换与传输的私有平台，提供语音、数据、视频、图像等业务。新型的某实验环境拓扑中包括网络控制的多平台无线网络、组网观测指挥平台、操作中心部署、技术协作等，目的是实现无缝通信链路转换，保障信息传输的实时高效。这种网络典型特征是依赖于终端设备与网络设备之间在应用层面的小型自组织网络，以及终端设备和控制中心间的分布式协作，且无需架设网络设施，可快速开设，抗毁性强。多数的此类研究是基于网络仿真模拟软件NS2,OPNET等工具来实现，本文提出一种基于RaspberryPi 4B 的无线Mesh 组网方法，可应用于复杂地震观测环境条件下的系统组网。

1 系统整体结构及设计方案

如图1 所示，设计了一种基于无线Mesh 的组网网络系统。在复杂的地震观测环境条件下，系统一方面要与各地震观测仪器终端通信，另一方面要为观测数据中心收集传输数据。整个无线Mesh 网络地震观测系统主要由物理设备层、网络接入层、数据传输层、软件应用层构成。物理设备层主要由地震观测仪器设备、终端PC 等，本文中以一种地震倾斜仪器设备为例；网络接入层由自组织无线Mesh 组成，提供快捷、异构、多跳、灵活分组无线网络接入，同时对各个节点提供相应的信息服务；数据传输层由路由网关和4G/5G 网关组成，负责SDH 骨干网、局域网、物联网等网间系互联；软件应用层接入包含观测数据汇聚中心，可对整体网络数据汇聚收集并调整网络架构。

图1 无线Mesh 地震观测组网结构

2 无线Mesh 原理

2.1 树莓派无线Mesh 控制器设计

在本系统设计中，采用基于ARM 内核的成熟硬件开源平台RaspberryPi 4B，如图2 所示。该开发板可使用两种不同方式供电：一种方案可使用TYPE-C 口通过5V_USB 电源适配器方式供电，另一种则采用锂电池方式直接供电。在实际实验时，通过TYPE-C 口移动电源给RaspberryPi 4B 可提供5～6H 左右供电时间，可满足断市电、应急地震观测现场等无电源情况下应急供电使用问题。对于不同的终端节点、可根据终端业务类型对软件系统进行定制，满足不同应用服务对无线Mesh 网络的软件需求。

图2 树莓派实物

本设计中，系统使用一张16Gb 存储卡烧录专用镜像Openwrt⁃brcm2711**.img，该 镜 像 文 件OpenWRT 专 用 适 配RaspberryPi 4B 进行深度定制，系统启动后会自动进入lede自带的Openwrt 配置管理界面。RaspberryPi 4B 自带的WiFi 芯片并不提供Mesh 组网功能，在本例中需添加支持无线Mesh 功能的USB WiFi 模组TLSR8253F51，将该USB 模块直接插入树莓派提供的USB 口，待系统启动后可直接被系统识别，无须额外进行驱动注入。具体流程如图3 所示。

图3 无线Mesh 网络初始化流程图

3 地震前兆观测倾斜仪原理

倾斜仪中部是由铍青铜类合金加工合成的敏感电子器件，中间由聚合填充物充满，同固定两侧边电极空间组成电容M1 与M2 。其结构如图4 所示。

图4 地震前兆观测倾斜仪原理图

3.1 倾角传感器电压差算法

如图5 所示为地震前兆观测倾斜仪内部结构，由X、Y、Z 三个重量块组成，Q 为支撑装置。当测量环境下未发生倾斜时，倾斜仪内部重量体垂直向下，当倾斜仪器传感部位发生倾斜时，铍青铜类合金块即发生位移，设定此刻的偏移角度为α，如图6 所示。可以通过倾角传感器结构以及计算偏移角度α来确定电容M1 与M2 的大小。

图5 倾斜仪内部结构图

图6 倾斜仪偏移角度

电容M2 中A 区域的电容大小为：

为了计算偏移角度，在倾角传感器两片电极上加载方波信号ST,其频率为rω，1R、2R分别为M1 与M2 相连接的电阻的值，左右两片电极此时电压分别使用VA、V B表示：

3.2 倾斜仪Mesh 程序设计

树莓派中倾斜仪应用软件功能主要包括无线Mesh 配对与配置、实时倾斜仪状态显示、历史监测数据存储与索引等。RaspberryPi 4B 启动后，OpenWRT 系统默认配置无线网卡为Wlan0、有线网卡为Eth0；本例中为了适用无线Mesh，系统会自动加载USB 口无线网卡驱动，驱动正常载入后，在系统配置界面会显示Wlan1 无线网卡接口。完成后加载防火墙相关配置即可进行通讯，应用程序流程如图7 所示。具体相关代码如下：

图7 倾斜仪Mesh 程序流程图

4 实验结果与分析

通过搭建实验测试环境，验证系统的可用性，采用RaspberryPi 4B 将节点0，1，2，3 分别写入Openwrt 系统，并将无线Mesh 应用程序导入。节点2，3 分别网络属性中配置为有线电口Eth0 节点、无线Wlan0 节点，以便于PC 接入终端通过有线、无线接入。

节点0 在本测试中作为Mesh 网关节点MPP，其有线网络Eth0 口接入地震观测信息中心行业网络，其配置USB 无线网卡wlan0 作为Mesh 网络接入设备。节点1、节点2、节点3 分别配置为MP，节点1、2 各接入一台地震倾斜仪节点，节点3 使用有线电口和Wlan 方式接入测试终端。实验中使用TYPE-C 口提供5V 电压为树莓派4B 供电，也可以使用移动电源供电。分别使用PC 终端和移动终端测试无线Mesh 节点0网络状况、数据采集情况，如表1 所示。

表1 Mesh 组网功能测试

在测试环境下，使用iperf 命令工具测试丢包率以及Mesh 网 络 带 宽，iperf 可 以 测 试TCP 和UDP 协 议 下的带宽质量，延迟抖动信息和网络丢包状况。测试时，在Mesh 节点0 服务端运行命令：iperf-i 2-s。同时在客户端节点1、节点2 以及节点3 上运行命令：iperf-i 2-c 10.42.251.116-t100⁃b 2M，表示Mesh 网络各节点在tcp 模式下，服务端以2Mb/s 速率发送数据，同时对客户端到服务端10.42.251.116 上传带宽进行测试，测试时间为100s。在测试节点3 至网关节点0 时，选择5Mb/s 的数据发送速率。如图8所示为测试情况。

图8 Mesh 网络测试

5 结束语

针对地震台站监测系统布线复杂、布设成本高、建设困难等问题，本文设计了一种基于Cortex-A72 核心的RaspberryPi 4B 开发平台的无线Mesh 地震台站行业网络传输系统。经实际测试表明，本设计具有组网灵活、低功耗、可靠性高、带宽容量大等特点。经在多个地震观测台站测试，达到了良好的效果，在地震行业网络具备较高的实用价值。