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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在野外測量中的應(yīng)用———無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在野外測量中的應(yīng)用

在工業(yè)測量領(lǐng)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(lǐng)域,由于環(huán)境條件的特殊情況,經(jīng)常使監(jiān)測系統(tǒng)因?yàn)?a href="http://www.hbrpxr.com.cn/sort/Power/" target="_blank">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(wǎng)絡(luò)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(lǐng)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(wǎng)絡(luò)案例,該系統(tǒng)經(jīng)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(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大的威脅。

  當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)以對山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)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(diǎn)下載數(shù)據(jù),系統(tǒng)得不到實(shí)時數(shù)據(jù),靈活性較差。

  對此,在與地理監(jiān)測專家進(jìn)行多次交流,并進(jìn)行數(shù)次實(shí)地考察后,Crossbow公司提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測全套無線解決方案。

  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(shè)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(chǎn)生的,因此地下水位深度是標(biāo)識山體滑坡危險度的第一指標(biāo)。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(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

  通過傾角傳感器可以監(jiān)測山體的運(yùn)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(gòu)成和侵蝕程度不同,其運(yùn)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(wǎng)絡(luò)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(qiáng)度,并判斷其威脅性大小。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

  系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示,Crossbow用于此項(xiàng)目的產(chǎn)品包括新型Mote節(jié)點(diǎn)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(diǎn)探測出的數(shù)據(jù)通過Xmesh無線多跳自組的網(wǎng)絡(luò)傳輸給基站,或通過中繼Mote傳輸給基站。Mote是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn),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(wǎng)絡(luò)與已有的IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

  基站將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行?a href="http://www.hbrpxr.com.cn/sort/Pc/" target="_blank">服務(wù)器,通過Xserver中間件解析后,用戶可以通過IT系統(tǒng)應(yīng)用軟件進(jìn)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(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控物理世界信息。

  在實(shí)際部署時,Crossbow采用了分層網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。每個目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個子網(wǎng),子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)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。基站在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離把數(shù)據(jù)發(fā)送回中心服務(wù)器,如圖4所示。

  每個目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域大概由10~20個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成(依具體情況有所調(diào)整),整個項(xiàng)目由數(shù)個監(jiān)測區(qū)域構(gòu)成,由于Crossbow的Xserver中間件服務(wù)器的強(qiáng)大功能,系統(tǒng)構(gòu)成靈活可調(diào)(包括子網(wǎng)數(shù)目和網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目)。相鄰節(jié)點(diǎn)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(wù)器靈活控制,在旱季可以調(diào)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(shí)時監(jiān)測預(yù)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(jìn)行數(shù)據(jù)整合,方便管理和查詢。

  傳感器節(jié)點(diǎn)

  每個傳感器節(jié)點(diǎn)包含液位傳感器與傾角傳感器元件、IRIS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、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(xiàng)目中傾角傳感器電壓輸出為0~5V,通過MDA300預(yù)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(zhuǎn)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。

  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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(xiàng)目中,Stargate