無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在野外測(cè)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(diǎn)的數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交?。?dāng)一個(gè)Mote出現(xiàn)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(xù)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。

　　在該項(xiàng)目中，Stargate通過51針接口連接一個(gè)IRIS節(jié)點(diǎn)，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(yuǎn)距離通信能力。

　　基站本身的處理能力用來進(jìn)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)?；緦?shí)物圖如圖5所示。

　　MoteWeb

　　MoteWeb是Windows平臺(tái)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(diǎn)的數(shù)據(jù)通過Xserver中間件解析后儲(chǔ)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(shí)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(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速整理、搜尋或查閱每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。MoteWeb還可以根據(jù)管理者的設(shè)置以手機(jī)短信和電子郵件的方式提供報(bào)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(xiàng)目的過程中，遇到的最大問題是如何保證Mote節(jié)點(diǎn)在重植被覆蓋下仍能正常組網(wǎng)通信。Crossbow在開發(fā)該項(xiàng)目之前數(shù)次派人進(jìn)行實(shí)地考察，并進(jìn)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(hào)衰減情況。從中可以看出，重植被與暴雨都會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生衰減。433MHz由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，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(zhǎng)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(shí)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(duì)較多。

　　盡管2.4GHz具有相對(duì)較好的表現(xiàn)，重植被和降雨仍然會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生較大的衰減。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 節(jié)點(diǎn)，采用了全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)。IRIS在通信距離指標(biāo)上得到大幅提高，同時(shí)其功耗還得到一定降低。

　　能源消耗

　　每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過電池供電，在Crossbow公司的被稱為ELP(Extend Low Power)電源管理機(jī)制下，電池電量能維持節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作4年以上。

　　電池的電壓隨時(shí)被監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點(diǎn)會(huì)將電壓數(shù)據(jù)發(fā)至基站。這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，節(jié)點(diǎn)會(huì)處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓過低的警告后，就可以有目的地進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)工作。當(dāng)這個(gè)節(jié)點(diǎn)被重新?lián)Q上新電池后將自動(dòng)正常工作。

　　IT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　中間件概念的提出使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)IT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cè)工作的效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅使每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地連續(xù)工作，保證數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和及時(shí)更新。整個(gè)系統(tǒng)的工作模式也可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)改變，以靈活適應(yīng)不同的環(huán)境狀態(tài)。