【導(dǎo)讀】在工業(yè)測量領(lǐng)域，往往需要長時間、大范圍、多通道的數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)。而在野外環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，由于環(huán)境條件的特殊情況，經(jīng)常使監(jiān)測系統(tǒng)因為電源、長距離布線等因素的存在而難以有效部署。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其低功耗、自組織路由、無需布線等特性，特別適合于工業(yè)領(lǐng)域的野外測量。
本文將介紹一個部署在我國南部某沿海城市的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)案例，該系統(tǒng)經(jīng)過少量修改后可以滿足許多工業(yè)測量的需求。
該城市存在大量山地地貌，城市居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山區(qū)附近。該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季節(jié)，會出現(xiàn)大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易發(fā)生山體滑坡，對居民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成巨大的威脅。
當?shù)赜嘘P(guān)部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)以對山體滑坡進行監(jiān)測和預(yù)警，但是由于監(jiān)測區(qū)域往往為人跡罕至的山間，缺乏道路，野外布線、電源供給等都受到限制，使得有線系統(tǒng)部署起來非常困難。此外有線方式往往采用就近部署Datalogger的方式采集數(shù)據(jù)，需要專人定時前往監(jiān)測點下載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得不到實時數(shù)據(jù)，靈活性較差。
對此，在與地理監(jiān)測專家進行多次交流，并進行數(shù)次實地考察后，Crossbow公司提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測全套無線解決方案。
基本測量原理
山體滑坡的監(jiān)測主要依靠兩種傳感器的作用：液位傳感器和傾角傳感器。在山體容易發(fā)生危險的區(qū)域，沿著山勢走向豎直設(shè)置多個孔洞，如圖1所示。每個孔洞都會在最下端部署一個液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個傾角傳感器。由于該地區(qū)的山體滑坡現(xiàn)象主要是由雨水侵蝕產(chǎn)生的，因此地下水位深度是標識山體滑坡危險度的第一指標。該數(shù)據(jù)由部署在孔洞最下端的液位傳感器采集并由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。
通過傾角傳感器可以監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運動速度不同。發(fā)生這種現(xiàn)象時部署在不同深度的傾角傳感器將會返回不同的傾角數(shù)據(jù)，如圖2所示。在無線網(wǎng)絡(luò)獲取到各個傾角傳感器的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)融合處理，專業(yè)人員就可以據(jù)此判斷出山體滑坡的趨勢和強度，并判斷其威脅性大小。
系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示，Crossbow用于此項目的產(chǎn)品包括新型Mote節(jié)點IRIS、MDA300數(shù)據(jù)采集板、Stargate基站；MoteWorksTM軟件環(huán)境包括Xmesh協(xié)議棧（IEEE802．15．4兼容）、Xserver中間件及MoteWeb可視化管理平臺。
傳感器節(jié)點探測出的數(shù)據(jù)通過Xmesh無線多跳自組的網(wǎng)絡(luò)傳輸給基站，或通過中繼Mote傳輸給基站。Mote是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點，由處理器和RF芯片組成，它的體積較小，所以稱之為“塵埃（Mote）”。基站則是用來溝通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與已有的IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。
基站將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器，通過Xserver中間件解析后，用戶可以通過IT系統(tǒng)應(yīng)用軟件進行監(jiān)控；同時數(shù)據(jù)接口完全兼容于客戶的原有信息管理系統(tǒng)，用戶能夠靈活地將新的傳感器數(shù)據(jù)加入原有的信息管理系統(tǒng)，從而通過IP網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控物理世界信息。
在實際部署時，Crossbow采用了分層網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。每個目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點組成一個子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點依靠Xmesh無線多跳自組織協(xié)議，通過多跳的方式把數(shù)據(jù)傳遞給Stargate基站。基站在進行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠距離把數(shù)據(jù)發(fā)送回中心服務(wù)器，如圖4所示。
每個目標監(jiān)測區(qū)域大概由10～20個節(jié)點構(gòu)成（依具體情況有所調(diào)整），整個項目由數(shù)個監(jiān)測區(qū)域構(gòu)成，由于Crossbow的Xserver中間件服務(wù)器的強大功能，系統(tǒng)構(gòu)成靈活可調(diào)（包括子網(wǎng)數(shù)目和網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)目）。相鄰節(jié)點之間的距離約為20～100m，數(shù)據(jù)采集間隔也可以由中心服務(wù)器靈活控制，在旱季可以調(diào)整為每24小時采集并傳遞一次數(shù)據(jù)，從而節(jié)省能量并避免大量的冗余數(shù)據(jù)。而在雨季危險期，其采集間隔可以密集至2分鐘一次，從而保證實時監(jiān)測預(yù)警功能。
系統(tǒng)支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，所有數(shù)據(jù)匯集到基站，連接至上層IT系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)整合，方便管理和查詢。
傳感器節(jié)點
每個傳感器節(jié)點包含液位傳感器與傾角傳感器元件、IRIS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、MDA300數(shù)據(jù)采集板和電池組。
MDA300提供8個ADC通道、8個數(shù)字通道以及I2C接口用于外接各類傳感器。在本項目中傾角傳感器電壓輸出為0～5V，通過MDA300預(yù)留的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)很容易接至MDA300提供的0～2．5V ADC接口。液位傳感器則為4～20mA電流輸出，通過外接電池組模擬理想電壓源，再使用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)124？贅電阻即可將4～20mA轉(zhuǎn)換為ADC可以采集的0～2．5V電壓信號。
MDA300被配置為1個液位傳感器通道和6個傾角傳感器通道。
中繼Mote
中繼Mote的硬件結(jié)構(gòu)和Mote完全一樣，只是沒有連接傳感器。與普通Mote不同，中繼Mote不是由電池供電，而是通過有線形式供電，始終保持在工作狀態(tài)來保證全網(wǎng)的通信效率。中繼Mote將來自節(jié)點的數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交尽．斠粋€Mote出現(xiàn)故障，與之相關(guān)的其他Mote會自動重新選擇路由。在這個Mote的故障排除后，會重新加入到Mesh網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)工作。
基站
基站由一個Stargate網(wǎng)關(guān)和一個Mote組成。Stargate網(wǎng)關(guān)包含Intel PXA255主處理器、Intel SA1111協(xié)處理器、64MB RAM、32MB FLASH以及51針接口、PCMCIA接口、CF接口。
在該項目中，Stargate通過51針接口連接一個IRIS節(jié)點，依靠Xmesh自組協(xié)議獲取子網(wǎng)數(shù)據(jù)；通過PCMCIA外接GPRS卡，依靠GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取遠距離通信能力。
基站本身的處理能力用來進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，CF接口外接512MB FLASH卡用來保存本地至少7天的數(shù)據(jù)。基站實物圖如圖5所示。
MoteWeb
MoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的B/S架構(gòu)可視監(jiān)控軟件,可通過Web瀏覽器直接訪問WSN數(shù)據(jù)，具有友好的交互界面。無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)通過Xserver中間件解析后儲存在PostreSQL數(shù)據(jù)庫中。MoteWeb能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取并顯示出來，也能夠?qū)崟r地顯示基站接收到的數(shù)據(jù)。基于MoteWeb，管理者可以通過直接數(shù)據(jù)、圖表或節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)快速整理、搜尋或查閱每個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。MoteWeb還可以根據(jù)管理者的設(shè)置以手機短信和電子郵件的方式提供報警信息。
關(guān)鍵問題與解決方案
通信距離
在將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到該項目的過程中，遇到的最大問題是如何保證Mote節(jié)點在重植被覆蓋下仍能正常組網(wǎng)通信。Crossbow在開發(fā)該項目之前數(shù)次派人進行實地考察，并進行了詳細的討論和分析，最終認為2.4GHz最適合該環(huán)境。
表1為不同條件下信號衰減情況。從中可以看出，重植被與暴雨都會對無線信號產(chǎn)生衰減。433MHz由于其波長較長，因此繞射性能較好，在雨中具有較好的表現(xiàn)。2.4GHz由于波長較短，穿透性較好，在重植被環(huán)境下具有較好的表現(xiàn)。而根據(jù)上表重植被造成的衰減為暴雨的數(shù)千倍，且系統(tǒng)工作在降雨環(huán)境下的時間應(yīng)該在50％以下。因此2.4GHz應(yīng)該更適合該環(huán)境的使用。
此外，考慮頻譜環(huán)境，目前使用的2.4GHz的商用設(shè)備如WiFi、BlueTooth多為短距設(shè)備，因此2.4GHz頻段較為干凈，干擾較少。400MHz與900MHz的干擾則相對較多。
盡管2.4GHz具有相對較好的表現(xiàn)，重植被和降雨仍然會對無線信號產(chǎn)生較大的衰減。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 節(jié)點，采用了全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設(shè)計生產(chǎn)。IRIS在通信距離指標上得到大幅提高，同時其功耗還得到一定降低。
能源消耗
每個節(jié)點通過電池供電，在Crossbow公司的被稱為ELP(Extend Low Power)電源管理機制下，電池電量能維持節(jié)點連續(xù)工作4年以上。
電池的電壓隨時被監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點會將電壓數(shù)據(jù)發(fā)至基站。這個數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，節(jié)點會處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個節(jié)點電壓過低的警告后，就可以有目的地進行系統(tǒng)維護工作。當這個節(jié)點被重新?lián)Q上新電池后將自動正常工作。
IT系統(tǒng)設(shè)計
中間件概念的提出使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后臺IT系統(tǒng)的設(shè)計變得極其容易。Xserver提供了包括數(shù)據(jù)庫接口、XML接口等通用數(shù)據(jù)接口，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)世界的物理信息量轉(zhuǎn)換成各種服務(wù)器可以接受的格式。用戶可以很容易地將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)加入到原有的信息管理系統(tǒng)中去。
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