在线检测系统中的无线传感器网络开发

传统的电力供电发电设备在线检测系统一般采用布线或者GPRS的传输方式，不仅前期部署复杂，而且后期运营成本较高，大规模集中管理难度较大。无线传感器网路由于多跳、自组织自愈合等特性成为解决这一问题的最佳选择。

传感器在监测过程中提供了精确和可靠的数据，但关键问题是系统需要一种灵活的方法将数据传送回中心数据控制站。Crossbow公司的无线传感器网络技术和解决方案可满足这一要求。该公司用于此项目的产品包括新型Mote节点IRIS、MoteWorks软件环境(包括Xmesh协议栈)、Xserver中间件和MoteWeb可视化管理平台。


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“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，用户能够灵活的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。每个目前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基站。基站在进行数据预处理之后，通过IP网络远距离将数据发送回中心服务器。


每个传感器节点包含微风震荡检测传感器、无线传感器网络节点、数据获取板和电池供给模块。微风震荡检测传感器实时获取高压线缆的振动信息，无线传感器网络节点通过数据获取板取得数字化后的微风振荡信息，并在预处理后以无线多跳路由的方式将数据传回基站。电源供给模块根据安装环境选择不同模块，比如最简单的电池组适用于方便安装部署的节点，电晕取电模块适用于部署在高压输电线路上的节点，太阳能适用于部署在高塔等位置的节点等。


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不由电池供电，而是通过有线形式供电，并始终保持在工作状态以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。


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。它可以通过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能将这些数据从数据库中读取并显示出来，也能实时地显示基站接收到的数据。管理者可以通过MoteWeb，以直接读取数据、图表或节点拓扑结构的方式快速整理、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。


主要问题和解决方法


1.通讯问题

在将无线传感器网络应用到该项目的过程中，最大问题是如何保证Mote节点在电磁干扰下仍能正常组网通信。2.4GHz是最合适在该环境下使用的频率。目前工作在2.4GHz的商用设备多为短距离通讯设备，如WiFi、蓝牙等。400MHz与900MHz的干扰则相对较多。尽2.4GHz具有相对较好的表现，但植被和降雨仍会对无线信号产生较大衰减。Crossbow的IRIS节点，采用全新的AT1281＋RF230芯片组，以及模块化设计生产，在通信距离指标上得到大幅提高，同时功耗反而得到一定程度的降低。


2．能源消耗

每个节点通过电池供电，在Crossbow公司被称为Extend Low Power(ELP)的电源管理机制下，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。


3. 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接口等在内的通用数据接口，能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。