【導讀】在工業測量領域，往往需要長時間、大范圍、多通道的數據測量系統。而在野外環境監測領域，由于環境條件的特殊情況，經常使監測系統因為電源、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，該系統經過少量修改后可以滿足許多工業測量的需求。
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，容易發生山體滑坡，對居民生命財產安全構成巨大的威脅。
當地有關部門嘗試部署過多套有線方式的監測網絡以對山體滑坡進行監測和預警，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、電源供給等都受到限制，使得有線系統部署起來非常困難。此外有線方式往往采用就近部署Datalogger的方式采集數據，需要專人定時前往監測點下載數據，系統得不到實時數據，靈活性較差。
對此，在與地理監測專家進行多次交流，并進行數次實地考察后，Crossbow公司提出了基于無線傳感器網絡的山體滑坡監測全套無線解決方案。
基本測量原理
山體滑坡的監測主要依靠兩種傳感器的作用：液位傳感器和傾角傳感器。在山體容易發生危險的區域，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，在不同深度部署數個傾角傳感器。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線網絡發送。
通過傾角傳感器可以監測山體的運動狀況，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。發生這種現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據，如圖2所示。在無線網絡獲取到各個傾角傳感器的數據后，通過數據融合處理，專業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用于此項目的產品包括新型Mote節點IRIS、MDA300數據采集板、Stargate基站；MoteWorksTM軟件環境包括Xmesh協議棧（IEEE802．15．4兼容）、Xserver中間件及MoteWeb可視化管理平臺。
傳感器節點探測出的數據通過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）”。基站則是用來溝通無線傳感器網絡與已有的IP網絡的網關設備。
基站將這些數據傳輸到中心服務器，通過Xserver中間件解析后，用戶可以通過IT系統應用軟件進行監控；同時數據接口完全兼容于客戶的原有信息管理系統，用戶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IP網絡實時監控物理世界信息。
在實際部署時，Crossbow采用了分層網絡的架構。每個目標監測區域內的無線傳感器節點組成一個子網，子網內的節點依靠Xmesh無線多跳自組織協議，通過多跳的方式把數據傳遞給Stargate基站。基站在進行數據預處理后，通過GPRS網絡遠距離把數據發送回中心服務器，如圖4所示。
每個目標監測區域大概由10～20個節點構成（依具體情況有所調整），整個項目由數個監測區域構成，由于Crossbow的Xserver中間件服務器的強大功能，系統構成靈活可調（包括子網數目和網內節點數目）。相鄰節點之間的距離約為20～100m，數據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，從而保證實時監測預警功能。
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系統進行數據整合，方便管理和查詢。
傳感器節點
每個傳感器節點包含液位傳感器與傾角傳感器元件、IRIS無線傳感器網絡節點、MDA300數據采集板和電池組。
MDA300提供8個ADC通道、8個數字通道以及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。
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來保證全網的通信效率。中繼Mote將來自節點的數據通過Mesh網絡傳輸到基站。當一個Mote出現故障，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網絡中繼續工作。
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節點，依靠Xmesh自組協議獲取子網數據；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據預處理，CF接口外接512MB FLASH卡用來保存本地至少7天的數據。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絡系統的B/S架構可視監控軟件,可通過Web瀏覽器直接訪問WSN數據，具有友好的交互界面。無線網絡中所有節點的數據通過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，也能夠實時地顯示基站接收到的數據。基于MoteWeb，管理者可以通過直接數據、圖表或節點拓撲結構快速整理、搜尋或查閱每個節點的數據信息。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。
關鍵問題與解決方案
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節點在重植被覆蓋下仍能正常組網通信。Crossbow在開發該項目之前數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。2.4GHz由于波長較短，穿透性較好，在重植被環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境下的時間應該在50％以下。因此2.4GHz應該更適合該環境的使用。
此外，考慮頻譜環境，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對無線信號產生較大的衰減。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 節點，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。
能源消耗
每個節點通過電池供電，在Crossbow公司的被稱為ELP(Extend Low Power)電源管理機制下，電池電量能維持節點連續工作4年以上。
電池的電壓隨時被監控，一旦電壓過低，節點會將電壓數據發至基站。這個數據發送成功后，節點會處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個節點電壓過低的警告后，就可以有目的地進行系統維護工作。當這個節點被重新換上新電池后將自動正常工作。
IT系統設計
中間件概念的提出使得無線傳感器網絡后臺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據加入到原有的信息管理系統中去。
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