在線檢測系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)
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傳感器在監(jiān)測過程中提供了精確和可靠的數(shù)據(jù)，但關鍵問題是系統(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)絡技術和解決方案可滿足這一要求。該公司用于此項目的產品包括新型Mote節(jié)點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。
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(wǎng)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(wǎng)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“Mote”?；緞t是用來溝通無線傳感器網(wǎng)絡與已有的IP網(wǎng)絡的網(wǎng)關設備。
基站將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆掌鳎ㄟ^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)絡實時監(jiān)控物理世界信息。
在實際部署時，Crossbow采用了分層網(wǎng)絡的架構。每個目前監(jiān)測區(qū)域內的無線傳感器節(jié)點組成一個子網(wǎng)，子網(wǎng)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)傳遞給基站。基站在進行數(shù)據(jù)預處理之后，通過IP網(wǎng)絡遠距離將數(shù)據(jù)發(fā)送回中心服務器。
每個傳感器節(jié)點包含微風震蕩檢測傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、數(shù)據(jù)獲取板和電池供給模塊。微風震蕩檢測傳感器實時獲取高壓線纜的振動信息，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通過數(shù)據(jù)獲取板取得數(shù)字化后的微風振蕩信息，并在預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，比如最簡單的電池組適用于方便安裝部署的節(jié)點，電暈取電模塊適用于部署在高壓輸電線路上的節(jié)點，太陽能適用于部署在高塔等位置的節(jié)點等。
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)點的數(shù)據(jù)通過Mesh網(wǎng)絡傳輸?shù)交尽?
MoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的B/S架構可視監(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)絡中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)通過Xserver中間件解析后儲存在PostreSQL數(shù)據(jù)庫中。MoteWeb能將這些數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取并顯示出來，也能實時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)點拓撲結構的方式快速整理、搜尋或查閱每個節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。MoteWeb還可以根據(jù)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。
主要問題和解決方法
1.通訊問題
在將無線傳感器網(wǎng)絡應用到該項目的過程中，最大問題是如何保證Mote節(jié)點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的商用設備多為短距離通訊設備，如WiFi、藍牙等。400MHz與900MHz的干擾則相對較多。盡2.4GHz具有相對較好的表現(xiàn)，但植被和降雨仍會對無線信號產生較大衰減。Crossbow的IRIS節(jié)點，采用全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設計生產，在通信距離指標上得到大幅提高，同時功耗反而得到一定程度的降低。
2．能源消耗
每個節(jié)點通過電池供電，在Crossbow公司被稱為ExtendLowPower(ELP)的電源管理機制下，電池電量能維持節(jié)點連續(xù)工作4年以上。電池的電壓隨時被監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點會將電壓數(shù)據(jù)發(fā)至基站。
3.IT系統(tǒng)設計
中間件概念的提出使得無線傳感器網(wǎng)絡后臺IT系統(tǒng)的設計變得極其容易。Xserver提供了包括數(shù)據(jù)庫接口、XML接口等在內的通用數(shù)據(jù)接口，能將無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡的數(shù)據(jù)加入到原有的信息管理系統(tǒng)中去。
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