在工業(yè)測量領域，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)測領域，由于環(huán)境條件的特殊情況，經常使監(jiān)測系統(tǒng)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(yè)領域的野外測量。

無線傳感器網絡在野外測量中的應用方案
　　
　　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(tǒng)經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，對居民生命財產安全構成巨大的威脅。
　　
　　當?shù)赜嘘P部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測網絡以對山體滑坡進行監(jiān)測和預警，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)測點下載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得不到實時數(shù)據(jù)，靈活性較差。
　　
　　對此，在與地理監(jiān)測專家進行多次交流，并進行數(shù)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(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(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絡發(fā)送。
　　
　　通過傾角傳感器可以監(jiān)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(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。在無線網絡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度，并判斷其威脅性大小。
　　
　　系統(tǒng)整體架構如圖3所示，Crossbow用于此項目的產品包括新型Mote節(jié)點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)點探測出的數(shù)據(jù)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(jié)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)”�；�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(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆�務��，通過Xserver中間件解析后，用戶可以通過IT系統(tǒng)應用軟件進行監(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網絡實時監(jiān)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(jiān)測區(qū)域內的無線傳感器節(jié)點組成一個子網，子網內的節(jié)點依靠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。基站在進行數(shù)據(jù)預處理后，通過GPRS網絡遠距離把數(shù)據(jù)發(fā)送回中心服務器，如圖4所示。
　　
　　每個目標監(jiān)測區(qū)域大概由10～20個節(jié)點構成(依具體情況有所調整)，整個項目由數(shù)個監(jiān)測區(qū)域構成，由于Crossbow的Xserver中間件服務器的強大功能，系統(tǒng)構成靈活可調(包括子網數(shù)目和網內節(jié)點數(shù)目)。相鄰節(jié)點之間的距離約為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(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，從而保證實時監(jiān)測預警功能。
　　
　　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)進行數(shù)據(jù)整合，方便管理和查詢。
　　
　　傳感器節(jié)點
　　
　　每個傳感器節(jié)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(jié)點、MDA300數(shù)據(jù)采集板和電池組。
　　
　　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。在本項目中傾角傳感器電壓輸出為0～5V，通過預留的電阻分壓網絡很容易接至提供的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。
　　
　　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(tài)來保證全網的通信效率。中繼Mote將來自節(jié)點的數(shù)據(jù)通過Mesh網絡傳輸?shù)交���。當一個Mote出現(xiàn)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(xù)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(xié)處理器、64MB RAM、32MB FLASH以及51針接口、PCMCIA接口、CF接口。