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无线传感器网络在野外测量中的应用方案

导读: 在工业测量领域,往往需要长时间、大范围、多通道的数据测量系统。而在野外环境监测领域,由于环境条件的特殊情况,经常使监测系统因为电源、长距离布线等因素的存在而难以有效部署。而无线传感器网络由于其低功耗、自组织路由、无需布线等特性,特别适合于工业领域的野外测量。

传感器节点探测出的数据通过Xmesh无线多跳自组的网络传输给基站,或通过中继Mote传输给基站。Mote是无线传感器网络的基本节点,由处理器和RF芯片组成,它的体积较小,所以称之为“尘埃(Mote)”。基站则是用来沟通无线传感器网络与已有的IP网络的网关设备。

基站将这些数据传输到中心服务器,通过Xserver中间件解析后,用户可以通过IT系统应用软件进行监控;同时数据接口完全兼容于客户的原有信息管理系统,用户能够灵活地将新的传感器数据加入原有的信息管理系统,从而通过IP网络实时监控物理世界信息。

在实际部署时,Crossbow采用了分层网络的架构。每个目标监测区域内的无线传感器节点组成一个子网,子网内的节点依靠Xmesh无线多跳自组织协议,通过多跳的方式把数据传递给Stargate基站。基站在进行数据预处理后,通过GPRS网络远距离把数据发送回中心服务器,如图4所示。

每个目标监测区域大概由10~20个节点构成(依具体情况有所调整),整个项目由数个监测区域构成,由于Crossbow的Xserver中间件服务器的强大功能,系统构成灵活可调(包括子网数目和网内节点数目)。相邻节点之间的距离约为20~100m,数据采集间隔也可以由中心服务器灵活控制,在旱季可以调整为每24小时采集并传递一次数据,从而节省能量并避免大量的冗余数据。而在雨季危险期,其采集间隔可以密集至2分钟一次,从而保证实时监测预警功能。

系统支持双向数据传输,所有数据汇集到基站,连接至上层IT系统进行数据整合,方便管理和查询。

传感器节点

每个传感器节点包含液位传感器与倾角传感器元件、IRIS无线传感器网络节点、MDA300数据采集板和电池组。

MDA300提供8个ADC通道、8个数字通道以及I2C接口用于外接各类传感器。在本项目中倾角传感器电压输出为0~5V,通过MDA300预留的电阻分压网络很容易接至MDA300提供的0~2.5V ADC接口。液位传感器则为4~20mA电流输出,通过外接电池组模拟理想电压源,再使用电阻分压网络124?赘电阻即可将4~20mA转换为ADC可以采集的0~2.5V电压信号。

MDA300被配置为1个液位传感器通道和6个倾角传感器通道。

中继Mote

中继Mote的硬件结构和Mote完全一样,只是没有连接传感器。与普通Mote不同,中继Mote不是由电池供电,而是通过有线形式供电,始终保持在工作状态来保证全网的通信效率。中继Mote将来自节点的数据通过Mesh网络传输到基站。当一个Mote出现故障,与之相关的其他Mote会自动重新选择路由。在这个Mote的故障排除后,会重新加入到Mesh网络中继续工作。

基站

基站由一个Stargate网关和一个Mote组成。Stargate网关包含Intel PXA255主处理器、Intel SA1111协处理器、64MB RAM、32MB FLASH以及51针接口、PCMCIA接口、CF接口。

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