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）”?；緞t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?；驹谶M(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。

MDA300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)MDA300預留的電阻分壓網(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(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。

MDA300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。

在該項目中，Stargate通過(guò)51針接口連接一個(gè)IRIS節點(diǎn)，依靠Xmesh自組協(xié)議獲取子網(wǎng)數據；通過(guò)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(lái)進(jìn)行數據預處理，CF接口外接512MB FLASH卡用來(lái)保存本地至少7天的數據?；緦?shí)物圖如圖5所示。


MoteWeb

MoteWeb是Windows平臺下支持無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的B/S架構可視監控軟件,可通過(guò)Web瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)WSN數據，具有友好的交互界面。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的數據通過(guò)Xserver中間件解析后儲存在PostreSQL數據庫中。MoteWeb能夠將這些數據從數據庫中讀取并顯示出來(lái)，也能夠實(shí)時(shí)地顯示基站接收到的數據?；贛oteWeb，管理者可以通過(guò)直接數據、圖表或節點(diǎn)拓撲結構快速整理、搜尋或查閱每個(gè)節點(diǎn)的數據信息。MoteWeb還可以根據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。

關(guān)鍵問(wèn)題與解決方案

通信距離

在將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用到該項目的過(guò)程中，遇到的最大問(wèn)題是如何保證Mote節點(diǎn)在重植被覆蓋下仍能正常組網(wǎng)通信。Crossbow在開(kāi)發(fā)該項目之前數次派人進(jìn)行實(shí)地考察，并進(jìn)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(huì )對無(wú)線(xiàn)信號產(chǎn)生衰減。433MHz由于其波長(cháng)較長(cháng)，因此繞射性能較好，在雨中具有較好的表現。2.4GHz由于波長(cháng)較短，穿透性較好，在重植被環(huán)境下具有較好的表現。而根據上表重植被造成的衰減為暴雨的數千倍，且系統工作在降雨環(huán)境下的時(shí)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，重植被和降雨仍然會(huì )對無(wú)線(xiàn)信號產(chǎn)生較大的衰減。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 節點(diǎn)，采用了全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設計生產(chǎn)。IRIS在通信距離指標上得到大幅提高，同時(shí)其功耗還得到一定降低。

能源消耗

每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)電池供電，在Crossbow公司的被稱(chēng)為ELP(Extend Low Power)電源管理機制下，電池電量能維持節點(diǎn)連續工作4年以上。

電池的電壓隨時(shí)被監控，一旦電壓過(guò)低，節點(diǎn)會(huì )將電壓數據發(fā)至基站。這個(gè)數據發(fā)送成功后，節點(diǎn)會(huì )處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個(gè)節點(diǎn)電壓過(guò)低的警告后，就可以有目的地進(jìn)行系統維護工作。當這個(gè)節點(diǎn)被重新?lián)Q上新電池后將自動(dòng)正常工作。

IT系統設計

中間件概念的提出使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )后臺IT系統的設計變得極其容易。Xserver提供了包括數據庫接口、XML接口等通用數據接口，將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )世界的物理信息量轉換成各種服務(wù)器可以接受的格式。用戶(hù)可以很容易地將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據加入到原有的信息管理系統中去。




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