無線傳感器網絡在野外測量中的應用

　　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?；緦嵨飯D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。

　　美國Crossbow科技公司的無線傳感器網絡技術大大提高了山體滑坡監測工作的效率。無線傳感器網絡技術不僅使每個節點便于安裝部署，免去了有線接入的繁瑣過程，降低了成本，并且基于Xmesh的網絡能夠長期穩定、可靠地連續工作，保證數據的儲存和及時更新。整個系統的工作模式也可以通過網絡隨時改變，以靈活適應不同的環境狀態。