采用RFID傳感系統監測熔巖洞穴

目前，新墨西哥大學(xué)（UNM）的研究人員在正在開(kāi)發(fā)一個(gè)基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)RFID傳感系統，以幫助科學(xué)家更好地了解洞穴和熔巖洞的自然環(huán)境和地球氣候的潛在變化。研究人員認為，這項技術(shù)不僅能用在自然洞穴，還能用在礦井里，甚至可能用在其他星球上，如火星。

洞穴外面的環(huán)境因素可以影響地下的狀況。天氣波動(dòng)引起的空氣壓力的變化可以形成洞穴內的呼吸效應，因為冷暖空氣是循環(huán)流通的?？茖W(xué)家們說(shuō)，根據地下的一些狀況，地球的很多事情已經(jīng)被人們了解，但是目前那些深邃的或者難以進(jìn)入的洞穴幾乎沒(méi)有得到任何的監測和探索。像這種洞穴的監測儀器需要不能對洞穴環(huán)境造成干擾。

研究小組最初考慮在洞穴中使用傳感器進(jìn)行地上研究，包含了一臺波動(dòng)傳感器（熱電偶來(lái)測量溫度的快速波動(dòng)）。2009年，這個(gè)研究小組（小組由新墨西哥大學(xué)電子工程專(zhuān)業(yè)副教授A(yíng)ndersJorgensen領(lǐng)導）開(kāi)始規劃一套在洞穴里使用的系統，其中的傳感器網(wǎng)絡(luò )可以跟蹤波動(dòng)、溫度、氣壓和濕度，然后每隔一段時(shí)間向后端系統傳送數據，其中的信息可以被保存并分析。

2009年下半年，研究人員開(kāi)發(fā)了一套采用2.4GHz的RFID傳感器的無(wú)線(xiàn)系統來(lái)收集有關(guān)洞穴狀態(tài)的數據。研究小組建立的這套系統包括溫度、氣壓、濕度和波動(dòng)傳感器，但是氣壓的信息不管用，Jorgensen說(shuō)，因為測量?jì)x器對于研究小組想要測量的壓力變化不夠敏感。每個(gè)傳感器連接到一個(gè)板載處理器上，帶有一個(gè)飛思卡爾半導體公司的電池供電的ZigBee收發(fā)器。

在2009年的部署中，小組里的研究生把6個(gè)傳感器放在Junction洞穴墻壁附近的自然平地上，Junction洞穴在新墨西哥的ElMalpais國家紀念碑處（位于阿爾布開(kāi)克西邊，距阿爾布開(kāi)克約90分鐘的路程）。還有些傳感器被放置在洞穴里一些海拔較高的地方，因為洞穴的頂部較高。另外一些傳感器被放置在洞穴頂部中間或頂部附近的位置。研究人員在1000英尺長(cháng)的洞穴里的前幾百英尺放置了傳感器，它們的間距為30英尺，以保持有效的閱讀范圍。

每個(gè)傳感器設備（包括ZigBee收發(fā)器）大小約為2英寸×3英寸。部署的RFID技術(shù)方案中包含了新墨西哥大學(xué)購買(mǎi)的飛思卡爾半導體公司的MC1321X評估套件。每一個(gè)傳感器形成了一個(gè)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，在網(wǎng)絡(luò )中把數據傳送到下一個(gè)傳感器，直到傳輸到達中心（Linux系統上運行的一臺小電腦），這個(gè)中心位于洞穴內45米處，在傳感器的中央，裝有研究小組研發(fā)的RFID軟件用來(lái)接收、編譯和管理數據。這些傳感器測量濕度、溫度和波動(dòng)，并把這些測量信息和傳感器裝置唯一的ID號傳送出去。這個(gè)中心的軟件采集數據，編譯測量結果并把這些結果與洞穴里的傳感器和傳感器的位置相連。

經(jīng)過(guò)24小時(shí)之后，研究小組收集的數據顯示了洞穴里的前幾百英尺（系統安裝的長(cháng)度）發(fā)生的事情。系統安裝到位的那個(gè)晚上外面下起了暴雨，但洞穴的內部是干燥的。數據表明在暴雨期間，洞穴內沒(méi)有什么變化，但是那個(gè)雨夜在洞穴的頂部附近有較強的空氣波動(dòng)，這似乎與下雨的時(shí)間是一致的。Jorgensen說(shuō)，一個(gè)令人驚訝的結果是人的存在似乎會(huì )影響讀數。比如說(shuō)當洞穴里有研究人員或者來(lái)訪(fǎng)者的時(shí)候溫度就會(huì )上升并加大波動(dòng)。此類(lèi)數據對科學(xué)家來(lái)說(shuō)很重要，因為洞穴里人的出現可能會(huì )影響生態(tài)系統。

這項研究進(jìn)行了24個(gè)小時(shí)，在研究的基礎上，研究人員發(fā)現無(wú)線(xiàn)傳感器系統可以可靠地采集和傳送洞穴里的數據。這個(gè)小組還討論了建立一套帶有蜂窩式連接的系統，數據可以實(shí)時(shí)的從中心發(fā)送到后端服務(wù)器上。

Jorgensen說(shuō)，在這之后，這個(gè)小組開(kāi)發(fā)出一套更小的、更有效的系統，使用德州儀器的eZ430-RF2480入門(mén)套件，有可能使基于ZigBee的RFID標簽變得更小。學(xué)生們發(fā)現，新系統耗電量比以前的系統更少，而每個(gè)傳感器節點(diǎn)的成本僅為25美元。節點(diǎn)尚未安裝在任何洞穴，因為這樣的工程將需要再投入一些資金。研究人員發(fā)現新型的較小的節點(diǎn)傳輸距離可達150英尺。新系統的運行時(shí)間預計超過(guò)80天，每分鐘從4個(gè)傳感器里采集取樣。省電功能的實(shí)現得益于微控制器能夠從傳感器采集并傳輸數據，然后進(jìn)入睡眠模式，直到下一次采集時(shí)再激活。