采用LabVIEW和NI無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測名勝古跡

西班牙，阿吉拉爾場（Aguilar de Campo）的Santa María la Real基金，為Santa María de Mave教堂及其修道院開展了一項修復(fù)工程，這座教堂可以追溯到12世紀(jì)。項目由Castile 和 León地方政府通過Románico Norte計劃提供資金，來支持Santa María la Real基金和遺產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)計劃(MHS)。本地行動小組País Románico也通過環(huán)境農(nóng)業(yè)漁業(yè)部的開發(fā)計劃為Santa María la Real基金和遺產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)計劃籌措資金。

在這座具有歷史意義的教堂改造完成后，基金會意識到遺跡需要連續(xù)監(jiān)測從而保護(hù)教堂不受環(huán)境衰退的侵害。因此，小組開發(fā)了一套實驗性的方案用于監(jiān)測教堂的環(huán)境參數(shù)，包括如下幾方面：

• 教堂中殿內(nèi)部17個位置的空氣溫度以及相對濕度
• 教堂外部的空氣溫度和相對濕度
• 一套位于教堂上部的微型氣象站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
• 結(jié)構(gòu)振動的測量

教堂的保護(hù)團(tuán)隊決定將這些測量數(shù)據(jù)存儲于一臺位于教堂內(nèi)部的中央計算機(jī)，數(shù)據(jù)將被傳送到遠(yuǎn)程站點(diǎn)用以觀察和管理。另外，還需要安裝一個紅外入口探測器、一個火警探測器以及一個用于遙控外部設(shè)備的裝置。

團(tuán)隊選擇 LabVIEW來管理整個系統(tǒng)以及同時執(zhí)行多個進(jìn)程。他們同時選擇了NI WSN技術(shù)用于測量溫度和濕度參，以及入口探測器，火警探測器和制動器。此外團(tuán)隊使用NI WLS-9163 Wi-Fi模塊結(jié)合三軸加速計來測量結(jié)構(gòu)振動。

團(tuán)隊最大的挑戰(zhàn)來自于線路的安裝與傳感器的隱藏，要在不妨礙遺跡外觀的同時保持良好的無線電信號，由于遺跡石墻和柱子的存在，這是很困難的。圖1描述了教堂中殿的傳感器網(wǎng)絡(luò)的大概位置。

Figure 1: 節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)計劃

團(tuán)隊在與中殿相連的小房間內(nèi)安裝了兩個NI WSN-9791網(wǎng)關(guān)，基于美觀的考慮，將他們從人群的視野當(dāng)中巧妙的隱藏了。然而，隱蔽的節(jié)點(diǎn)與中央計算機(jī)之間無線信號質(zhì)量就變差了。為解決這一問題，團(tuán)隊放置了高增益的外部天線(9 dB)并為兩個網(wǎng)關(guān)使用了1.5米的延長線，將天線的放置靠近木門的內(nèi)框上，如圖2所示。

團(tuán)隊使用了低功耗和易于連接的NI WSN-3202 模擬輸入節(jié)點(diǎn)，以及型號為為HMP50的溫度與濕度計。這一裝置每10秒鐘讀取一次溫度和濕度度值，計算每分鐘內(nèi)的平均值，并將其傳給網(wǎng)關(guān)。只有在檢測到變化的時候，數(shù)字輸入（通道0和1）才會發(fā)送數(shù)據(jù)。只有當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令時數(shù)字輸出才會被激活，然后連接到特定位置的固態(tài)繼電器上。

起初，遺跡保護(hù)團(tuán)隊安裝WSN-3202節(jié)點(diǎn)時沒有使用保護(hù)性外殼，如圖3所示。后來，團(tuán)隊安裝節(jié)點(diǎn)時使用了可以著色容易隱藏的防水外殼。這樣可以選擇無線信號更好的位置。

團(tuán)隊使用LabVIEW管理測量系統(tǒng)，開發(fā)了一套基于多線程的應(yīng)用程序，可以同時執(zhí)行若干進(jìn)程。這些進(jìn)程包括如下任務(wù)：

Figure 2: 測量節(jié)點(diǎn)

后來，小組把節(jié)點(diǎn)裝置放在防水的地方，那里更易于上色和隱藏。這使得這個位置成為信號接收的較佳位置。

團(tuán)隊使用LabVIEW管理測量系統(tǒng)，開發(fā)了一套基于多線程的應(yīng)用程序，可以同時執(zhí)行若干進(jìn)程。這些進(jìn)程包括如下任務(wù)：

• 測量來自傳感器網(wǎng)絡(luò)和氣象站的數(shù)據(jù)
• 讀取來自加速計的數(shù)據(jù)
• 使用互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)庫
• 管理用戶界面

進(jìn)程被均衡的分配在惠普（HP） Proliant ML115 G5服務(wù)器（一個四核Opteron CPU）的不同核上。應(yīng)用程序調(diào)用Service Keeper and Service Mill的工具來作為Windows操作系統(tǒng)的服務(wù)運(yùn)行。部分接口如圖4和5所示。

Figure 3: 用戶界面截圖

保護(hù)團(tuán)隊安裝了一個氣象站，由串行線纜(RS232, RS485, RS422 及 SDI-12)連接到一個叫做Digiconnect Wi-SP的Wi-Fi裝置，它與一個Wi-Fi接入點(diǎn)相連。服務(wù)器上的DIGI Realport軟件仿真一個串口，LabVIEW應(yīng)用程序由這個串口讀取氣象站的數(shù)據(jù)。

團(tuán)隊使用同樣的策略連接WLS-9163裝置讀取三個加速度計通道的數(shù)據(jù)。他們將WLS-9163 Wi-Fi客戶端連接到Wi-Fi接入點(diǎn)，LabVIEW由模擬輸入通道讀取數(shù)據(jù)。

盡管傳輸無線信號的條件極其惡劣，WSN網(wǎng)絡(luò)依然穩(wěn)定運(yùn)行。所有的節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到超過20% 的信號強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)偶爾會失去連接，對于這些節(jié)點(diǎn)而言只要有8%的信號強(qiáng)度他們就能夠傳輸數(shù)據(jù)。這種情況可以通過中繼節(jié)點(diǎn)來解決，但這種解決方案并不可行，因為中繼節(jié)點(diǎn)并不能從外部獲取供電，會很快耗盡電池。

通過使用LabVIEW 和 NI WSN技術(shù)，團(tuán)隊很輕松地為一座12世紀(jì)的古跡開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)。所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢在于可以在不同地點(diǎn)將多種傳感器方便靈活的組成網(wǎng)絡(luò)。。

通過在LabVIEW中開發(fā)節(jié)點(diǎn)程序允許在節(jié)點(diǎn)中完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，確保了節(jié)點(diǎn)電池的使用時間和更高的能源利用率。例如，保護(hù)團(tuán)隊可以應(yīng)用一種策略，對采集到的數(shù)據(jù)求平均或進(jìn)行其他復(fù)雜計算，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化時，才會傳送數(shù)據(jù)。同樣的，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸功能也允許團(tuán)隊實現(xiàn)遠(yuǎn)程配置節(jié)點(diǎn)程序。教堂保護(hù)團(tuán)隊實現(xiàn)了他們的目標(biāo)，維護(hù)了一座重要?dú)v史寶庫的特色和完整性。