无线传感器网络在野外测量中的应用

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。

　　在该项目中，Stargate通过51针接口连接一个IRIS节点，依靠Xmesh自组协议获取子网数据；通过PCMCIA外接GPRS卡，依靠GPRS网络获取远距离通信能力。

　　基站本身的处理能力用来进行数据预处理，CF接口外接512MB FLASH卡用来保存本地至少7天的数据。基站实物图如图5所示。

MoteWeb

　　MoteWeb是Windows平台下支持无线传感器网络系统的B/S架构可视监控软件,可通过Web浏览器直接访问WSN数据，具有友好的交互界面。无线网络中所有节点的数据通过Xserver中间件解析后储存在PostreSQL数据库中。MoteWeb能够将这些数据从数据库中读取并显示出来，也能够实时地显示基站接收到的数据。基于MoteWeb，管理者可以通过直接数据、图表或节点拓扑结构快速整理、搜寻或查阅每个节点的数据信息。MoteWeb还可以根据管理者的设置以手机短信和电子邮件的方式提供报警信息。

关键问题与解决方案

　　通信距离

　　在将无线传感器网络应用到该项目的过程中，遇到的最大问题是如何保证Mote节点在重植被覆盖下仍能正常组网通信。Crossbow在开发该项目之前数次派人进行实地考察，并进行了详细的讨论和分析，最终认为2.4GHz最适合该环境。

　　表1为不同条件下信号衰减情况。从中可以看出，重植被与暴雨都会对无线信号产生衰减。433MHz由于其波长较长，因此绕射性能较好，在雨中具有较好的表现。2.4GHz由于波长较短，穿透性较好，在重植被环境下具有较好的表现。而根据上表重植被造成的衰减为暴雨的数千倍，且系统工作在降雨环境下的时间应该在50％以下。因此2.4GHz应该更适合该环境的使用。

　　此外，考虑频谱环境，目前使用的2.4GHz的商用设备如WiFi、BlueTooth多为短距设备，因此2.4GHz频段较为干净，干扰较少。400MHz与900MHz的干扰则相对较多。

　　尽管2.4GHz具有相对较好的表现，重植被和降雨仍然会对无线信号产生较大的衰减。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 节点，采用了全新的AT1281＋RF230芯片组，以及模块化设计生产。IRIS在通信距离指标上得到大幅提高，同时其功耗还得到一定降低。

能源消耗

　　每个节点通过电池供电，在Crossbow公司的被称为ELP(Extend Low Power)电源管理机制下，电池电量能维持节点连续工作4年以上。

　　电池的电压随时被监控，一旦电压过低，节点会将电压数据发至基站。这个数据发送成功后，节点会处于深度睡眠模式，管理者在获致了某个节点电压过低的警告后，就可以有目的地进行系统维护工作。当这个节点被重新换上新电池后将自动正常工作。

IT系统设计

　　中间件概念的提出使得无线传感器网络后台IT系统的设计变得极其容易。Xserver提供了包括数据库接口、XML接口等通用数据接口，将无线传感器网络世界的物理信息量转换成各种服务器可以接受的格式。用户可以很容易地将无线传感器网络的数据加入到原有的信息管理系统中去。

　　美国Crossbow科技公司的无线传感器网络技术大大提高了山体滑坡监测工作的效率。无线传感器网络技术不仅使每个节点便于安装部署，免去了有线接入的繁琐过程，降低了成本，并且基于Xmesh的网络能够长期稳定、可靠地连续工作，保证数据的储存和及时更新。整个系统的工作模式也可以通过网络随时改变，以灵活适应不同的环境状态。