在工業(yè)測量領域，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)測領域，由于環(huán)境條件的特殊情況，經常使監(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。而無線傳感器網絡由于其低功耗、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絡案例，該系統(tǒng)經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，對居民生命財產安全構成巨大的威脅。

當?shù)赜嘘P部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測網絡以對山體滑坡進行監(jiān)測和預警，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絡的山體滑坡監(jiān)測全套無線解決方案。

1 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絡發(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。在無線網絡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。

2 系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

系統(tǒng)整體架構如圖3所示，Crossbow用于此項目的產品包括新型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無線多跳自組的網絡傳輸給基站，或通過中繼Mote傳輸給基站。Mote是無線傳感器網絡的基本節(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）”?；緞t是用來溝通無線傳感器網絡與已有的IP網絡的網關設備。

基站將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">中心服務器，通過Xserver中間件解析后，用戶可以通過IT系統(tǒng)應用軟件進行監(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網絡實時監(jiān)控物理世界信息。

在實際部署時，Crossbow采用了分層網絡的架構。每個目標監(jiān)測區(qū)域內的無線傳感器節(jié)點組成一個子網，子網內的節(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?；驹谶M行數(shù)據(jù)預處理后，通過GPRS網絡遠距離把數(shù)據(jù)發(fā)送回中心服務器，如圖4所示。

每個目標監(jiān)測區(qū)域大概由10～20個節(jié)點構成（依具體情況有所調整），整個項目由數(shù)個監(jiān)測區(qū)域構成，由于Crossbow的Xserver中間件服務器的強大功能，系統(tǒng)構成靈活可調（包括子網數(shù)目和網內節(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器靈活控制，在旱季可以調整為每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。

2.1 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無線傳感器網絡節(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預留的電阻分壓網絡很容易接至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，再使用電阻分壓網絡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。

MDA300被配置為1個液位傳感器通道和6個傾角傳感器通道。

2.2 中繼Mote

中繼Mote的硬件結構和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)來保證全網的通信效率。中繼Mote將來自節(jié)點的數(shù)據(jù)通過Mesh網絡傳輸?shù)交?。當一個Mote出現(xiàn)故障，與之相關的其他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網絡中繼續(xù)工作。

2.3 基站

基站由一個Stargate網關和一個Mote組成。Stargate網關包含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)議獲取子網數(shù)據(jù)；通過PCMCIA外接GPRS卡，依靠GPRS網絡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)。

2.4 MoteWeb

MoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網絡系統(tǒng)的B/S架構可視監(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。無線網絡中所有節(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能夠將這些數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取并顯示出來，也能夠實時地顯示基站接收到的數(shù)據(jù)?；贛oteWeb，管理者可以通過直接數(shù)據(jù)、圖表或節(jié)點拓撲結構快速整理、搜尋或查閱每個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。MoteWeb還可以根據(jù)管理者的設置以手機短信和電子郵件的方式提供報警信息。

3 關鍵問題與解決方案

3.1 通信距離

在將無線傳感器網絡應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)境下的時間應該在50％以下。因此2.4GHz應該更適合該環(huán)境的使用。

此外，考慮頻譜環(huán)境，目前使用的2.4GHz的商用設備如WiFi、BlueTooth多為短距設備，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，以及模塊化設計生產。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。

3.2 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。

3.3 IT系統(tǒng)設計

中間件概念的提出使得無線傳感器網絡后臺IT系統(tǒng)的設計變得極其容易。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，將無線傳感器網絡世界的物理信息量轉換成各種服務器可以接受的格式。用戶可以很容易地將無線傳感器網絡的數(shù)據(jù)加入到原有的信息管理系統(tǒng)中去。

美國Crossbow科技公司的無線傳感器網絡技術大大提高了山體滑坡監(jiān)測工作的效率。無線傳感器網絡技術不僅使每個節(jié)點便于安裝部署，免去了有線接入的繁瑣過程，降低了成本，并且基于Xmesh的網絡能夠長期穩(wěn)定、可靠地連續(xù)工作，保證數(shù)據(jù)的儲存和及時更新。整個系統(tǒng)的工作模式也可以通過網絡隨時改變，以靈活適應不同的環(huán)境狀態(tài)。

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