無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在野外測量中的應用

      在工業(yè)測量領(lǐng)域，往往需要長(cháng)時(shí)間、大范圍、多通道的數據測量系統。而在野外環(huán)境監測領(lǐng)域，由于環(huán)境條件的特殊情況，經(jīng)常使監測系統因為電源、長(cháng)距離布線(xiàn)等因素的存在而難以有效部署。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由于其低功耗、自組織路由、無(wú)需布線(xiàn)等特性，特別適合于工業(yè)領(lǐng)域的野外測量。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在野外測量中的應用方案
　　
　　本文將介紹一個(gè)部署在我國南部某沿海城市的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )案例，該系統經(jīng)過(guò)少量修改后可以滿(mǎn)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附近。該地區降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季節，會(huì )出現大量的降水。不穩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)安全構成巨大的威脅。
　　
　　當地有關(guān)部門(mén)嘗試部署過(guò)多套有線(xiàn)方式的監測網(wǎng)絡(luò )以對山體滑坡進(jìn)行監測和預警，但是由于監測區域往往為人跡罕至的山間，缺乏道路，野外布線(xiàn)、電源供給等都受到限制，使得有線(xiàn)系統部署起來(lái)非常困難。此外有線(xiàn)方式往往采用就近部署Datalogger的方式采集數據，需要專(zhuān)人定時(shí)前往監測點(diǎn)下載數據，系統得不到實(shí)時(shí)數據，靈活性較差。
　　
　　對此，在與地理監測專(zhuān)家進(jìn)行多次交流，并進(jìn)行數次實(shí)地考察后，Crossbow公司提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的山體滑坡監測全套無(wú)線(xiàn)解決方案。
　　
　　基本測量原理
　　
　　山體滑坡的監測主要依靠?jì)煞N傳感器的作用：液位傳感器和傾角傳感器。在山體容易發(fā)生危險的區域，沿著(zhù)山勢走向豎直設置多個(gè)孔洞，如圖1所示。每個(gè)孔洞都會(huì )在最下端部署一個(gè)液位傳感器，在不同深度部署數個(gè)傾角傳感器。由于該地區的山體滑坡現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。該數據由部署在孔洞最下端的液位傳感器采集并由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送。
　　
　　通過(guò)傾角傳感器可以監測山體的運動(dòng)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成和侵蝕程度不同，其運動(dòng)速度不同。發(fā)生這種現象時(shí)部署在不同深度的傾角傳感器將會(huì )返回不同的傾角數據，如圖2所示。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )獲取到各個(gè)傾角傳感器的數據后，通過(guò)數據融合處理，專(zhuān)業(yè)人員就可以據此判斷出山體滑坡的趨勢和強度，并判斷其威脅性大小。
　　
　　系統整體架構如圖3所示，Crossbow用于此項目的產(chǎn)品包括新型Mote節點(diǎn)IRIS、MDA300數據采集板、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。
　　
　　傳感器節點(diǎn)探測出的數據通過(guò)Xmesh無(wú)線(xiàn)多跳自組的網(wǎng)絡(luò )傳輸給基站，或通過(guò)中繼Mote傳輸給基站。Mote是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本節點(diǎn)，由處理器和RF芯片組成，它的體積較小，所以稱(chēng)之為“塵埃(Mote)”�；�站則是用來(lái)溝通無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與已有的IP網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)設備。
　　
　　基站將這些數據傳輸到中心服務(wù)器，通過(guò)Xserver中間件解析后，用戶(hù)可以通過(guò)IT系統應用軟件進(jìn)行監控;同時(shí)數據接口完全兼容于客戶(hù)的原有信息管理系統，用戶(hù)能夠靈活地將新的傳感器數據加入原有的信息管理系統，從而通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)監控物理世界信息。
　　
　　在實(shí)際部署時(shí)，Crossbow采用了分層網(wǎng)絡(luò )的架構。每個(gè)目標監測區域內的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)組成一個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)內的節點(diǎn)依靠Xmesh無(wú)線(xiàn)多跳自組織協(xié)議，通過(guò)多跳的方式把數據傳遞給Stargate基站�；�站在進(jìn)行數據預處理后，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )遠距離把數據發(fā)送回中心服務(wù)器，如圖4所示。
　　
　　每個(gè)目標監測區域大概由10～20個(gè)節點(diǎn)構成(依具體情況有所調整)，整個(gè)項目由數個(gè)監測區域構成，由于Crossbow的Xserver中間件服務(wù)器的強大功能，系統構成靈活可調(包括子網(wǎng)數目和網(wǎng)內節點(diǎn)數目)。相鄰節點(diǎn)之間的距離約為20～100m，數據采集間隔也可以由中心服務(wù)器靈活控制，在旱季可以調整為每24小時(shí)采集并傳遞一次數據，從而節省能量并避免大量的冗余數據。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(shí)時(shí)監測預警功能。
　　
　　系統支持雙向數據傳輸，所有數據匯集到基站，連接至上層IT系統進(jìn)行數據整合，方便管理和查詢(xún)。
　　
　　傳感器節點(diǎn)
　　
　　每個(gè)傳感器節點(diǎn)包含液位傳感器與傾角傳感器元件、IRIS無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、MDA300數據采集板和電池組。
　　
　　提供8個(gè)ADC通道、8個(gè)數字通道以及I2C接口用于外接各類(lèi)傳感器。在本項目中傾角傳感器電壓輸出為0～5V，通過(guò)預留的電阻分壓網(wǎng)絡(luò )很容易接至提供的0～2.5V ADC接口。液位傳感器則為4～20mA電流輸出，通過(guò)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轉換為ADC可以采集的0～2.5V電壓信號。
　　
　　被配置為1個(gè)液位傳感器通道和6個(gè)傾角傳感器通道。
　　
　　中繼Mote
　　
　　中繼Mote的硬件結構和Mote完全一樣，只是沒(méi)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(guò)有線(xiàn)形式供電，始終保持在工作狀態(tài)來(lái)保證全網(wǎng)的通信效率。中繼Mote將來(lái)自節點(diǎn)的數據通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò )傳輸到基站。當一個(gè)Mote出現故障，與之相關(guān)的其他Mote會(huì )自動(dòng)重新選擇路由。在這個(gè)Mote的故障排除后，會(huì )重新加入到Mesh網(wǎng)絡(luò )中繼續工作。
　　
　　基站
　　
　　基站由一個(gè)Stargate網(wǎng)關(guān)和一個(gè)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。