無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在野外測量中的應(yīng)用

　　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．?dāng)一個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)?；贛oteWeb，管理者可以通過直接數(shù)據(jù)、圖表或節(jié)點拓?fù)浣Y(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(xì)的討論和分析，最終認(rèn)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(biāo)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(dāng)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。

　　美國Crossbow科技公司的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大大提高了山體滑坡監(jiān)測工作的效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)隨時改變，以靈活適應(yīng)不同的環(huán)境狀態(tài)。