在線檢測(cè)系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)

傳統(tǒng)的電力供電發(fā)電設(shè)備在線檢測(cè)系統(tǒng)一般采用布線或者GPRS的傳輸方式，不僅前期部署復(fù)雜，而且后期運(yùn)營(yíng)成本較高，大規(guī)模集中管理難度較大。無線傳感器網(wǎng)路由于多跳、自組織自愈合等特性成為解決這一問題的最佳選擇。

傳感器在監(jiān)測(cè)過程中提供了精確和可靠的數(shù)據(jù)，但關(guān)鍵問題是系統(tǒng)需要一種靈活的方法將數(shù)據(jù)傳送回中心數(shù)據(jù)控制站。Crossbow公司的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和解決方案可滿足這一要求。該公司用于此項(xiàng)目的產(chǎn)品包括新型Mote節(jié)點(diǎn)IRIS、MoteWorks軟件環(huán)境(包括Xmesh協(xié)議棧)、Xserver中間件和MoteWeb可視化管理平臺(tái)。


傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)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“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)街行姆?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(shí)，數(shù)據(jù)接口完全兼容于客戶的原有信息管理系統(tǒng)，用戶能夠靈活的將新的傳感器數(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(shí)監(jiān)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(gòu)。每個(gè)目前監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)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)傳遞給基站?；驹谶M(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，通過IP網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離將數(shù)據(jù)發(fā)送回中心服務(wù)器。


每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包含微風(fēng)震蕩檢測(cè)傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)獲取板和電池供給模塊。微風(fēng)震蕩檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)獲取高壓線纜的振動(dòng)信息，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)獲取板取得數(shù)字化后的微風(fēng)振蕩信息，并在預(yù)處理后以無線多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳回基站。電源供給模塊根據(jù)安裝環(huán)境選擇不同模塊，比如最簡(jiǎn)單的電池組適用于方便安裝部署的節(jié)點(diǎn)，電暈取電模塊適用于部署在高壓輸電線路上的節(jié)點(diǎn)，太陽(yáng)能適用于部署在高塔等位置的節(jié)點(diǎn)等。


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不由電池供電，而是通過有線形式供電，并始終保持在工作狀態(tài)以保證全網(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?


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。它可以通過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(kù)中。MoteWeb能將這些數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取并顯示出來，也能實(shí)時(shí)地顯示基站接收到的數(shù)據(jù)。管理者可以通過MoteWeb，以直接讀取數(shù)據(jù)、圖表或節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方式快速整理、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。


主要問題和解決方法


1.通訊問題

在將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到該項(xiàng)目的過程中，最大問題是如何保證Mote節(jié)點(diǎn)在電磁干擾下仍能正常組網(wǎng)通信。2.4GHz是最合適在該環(huán)境下使用的頻率。目前工作在2.4GHz的商用設(shè)備多為短距離通訊設(shè)備，如WiFi、藍(lán)牙等。400MHz與900MHz的干擾則相對(duì)較多。盡2.4GHz具有相對(duì)較好的表現(xiàn)，但植被和降雨仍會(huì)對(duì)無線信號(hào)產(chǎn)生較大衰減。Crossbow的IRIS節(jié)點(diǎn)，采用全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，在通信距離指標(biāo)上得到大幅提高，同時(shí)功耗反而得到一定程度的降低。


2．能源消耗

每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過電池供電，在Crossbow公司被稱為Extend Low Power(ELP)的電源管理機(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。


3. 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(kù)接口、XML接口等在內(nèi)的通用數(shù)據(jù)接口，能將無線傳感器網(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。