在線(xiàn)檢測系統中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)

傳統的電力供電發(fā)電設備在線(xiàn)檢測系統一般采用布線(xiàn)或者GPRS的傳輸方式，不僅前期部署復雜，而且后期運營(yíng)成本較高，大規模集中管理難度較大。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路由于多跳、自組織自愈合等特性成為解決這一問(wèn)題的最佳選擇。

傳感器在監測過(guò)程中提供了精確和可靠的數據，但關(guān)鍵問(wèn)題是系統需要一種靈活的方法將數據傳送回中心數據控制站。Crossbow公司的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和解決方案可滿(mǎn)足這一要求。該公司用于此項目的產(chǎn)品包括新型Mote節點(diǎn)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。


傳感器節點(diǎn)探測出的數據通過(guò)XMesh無(wú)線(xiàn)多跳自組的網(wǎng)絡(luò )傳輸給基站，或通過(guò)中繼Mote傳輸給基站。Mote是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本節點(diǎn)，由處理器和RF芯片組成，它的體積較小，所以稱(chēng)之為“Mote”?；緞t是用來(lái)溝通無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與已有的IP網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)設備。


基站將這些數據傳輸到中心服務(wù)器，通過(guò)Xserver中間件解析后，用戶(hù)可以通過(guò)IT系統應用軟件進(jìn)行監控。同時(shí)，數據接口完全兼容于客戶(hù)的原有信息管理系統，用戶(hù)能夠靈活的將新的傳感器數據加入原有的信息管理系統，從而通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)監控物理世界信息。


在實(shí)際部署時(shí)，Crossbow采用了分層網(wǎng)絡(luò )的架構。每個(gè)目前監測區域內的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)組成一個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)內的節點(diǎn)依靠Xmesh無(wú)線(xiàn)多跳自組織協(xié)議，通過(guò)多跳的方式把數據傳遞給基站?；驹谶M(jìn)行數據預處理之后，通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò )遠距離將數據發(fā)送回中心服務(wù)器。


每個(gè)傳感器節點(diǎn)包含微風(fēng)震蕩檢測傳感器、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、數據獲取板和電池供給模塊。微風(fēng)震蕩檢測傳感器實(shí)時(shí)獲取高壓線(xiàn)纜的振動(dòng)信息，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通過(guò)數據獲取板取得數字化后的微風(fēng)振蕩信息，并在預處理后以無(wú)線(xiàn)多跳路由的方式將數據傳回基站。電源供給模塊根據安裝環(huán)境選擇不同模塊，比如最簡(jiǎn)單的電池組適用于方便安裝部署的節點(diǎn)，電暈取電模塊適用于部署在高壓輸電線(xiàn)路上的節點(diǎn)，太陽(yáng)能適用于部署在高塔等位置的節點(diǎn)等。


中繼Mote的硬件結構和Mote完全一樣，只是沒(méi)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(guò)有線(xiàn)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(lái)自節點(diǎn)的數據通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò )傳輸到基站。


MoteWeb是Windows平臺下支持無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的B/S架構可視監控軟件。它可以通過(guò)WEB瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)WSN數據，具有友好的交互界面。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的數據通過(guò)Xserver中間件解析后儲存在PostreSQL數據庫中。MoteWeb能將這些數據從數據庫中讀取并顯示出來(lái)，也能實(shí)時(shí)地顯示基站接收到的數據。管理者可以通過(guò)MoteWeb，以直接讀取數據、圖表或節點(diǎn)拓撲結構的方式快速整理、搜尋或查閱每個(gè)節點(diǎn)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。


主要問(wèn)題和解決方法


1.通訊問(wèn)題

在將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用到該項目的過(guò)程中，最大問(wèn)題是如何保證Mote節點(diǎn)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，但植被和降雨仍會(huì )對無(wú)線(xiàn)信號產(chǎn)生較大衰減。Crossbow的IRIS節點(diǎn)，采用全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設計生產(chǎn)，在通信距離指標上得到大幅提高，同時(shí)功耗反而得到一定程度的降低。


2．能源消耗

每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)電池供電，在Crossbow公司被稱(chēng)為ExtendLowPower(ELP)的電源管理機制下，電池電量能維持節點(diǎn)連續工作4年以上。電池的電壓隨時(shí)被監控，一旦電壓過(guò)低，節點(diǎn)會(huì )將電壓數據發(fā)至基站。


3.IT系統設計

中間件概念的提出使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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接口等在內的通用數據接口，能將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )世界的物理信息量轉換成各種服務(wù)器可以接受的格式。用戶(hù)可以很容易地將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據加入到原有的信息管理系統中去。