環保監測中的無線感測器網路技術

ADI 總裁兼CEO Vincent Roche先生在年初的一篇產業趨勢展望的文章中指出，無處不在的無線感測網路和數據將成為未來的一個重要的發展趨勢之一。先進的材料、增強的功能和MEMS相結合，使感測器尺寸和成本得以突破，讓無線感測器網路無處不在成為可能。他認為通過無線mesh網路在物聯網和工業應用中的部署，無需大量重新布線即可在現有系統中添加感測功能，而從感測器到雲的端到端安全性將成為工業用戶大規模部署工業物聯網的基本要求。

而在同期舉辦的ADI媒體交流活動中電源產品中國區市場總監Lorry Liang也透露，該公司無線網路解決方案SmartMesh在工業及環保等領域獲得了多項重要的成功應用，其中包括中國雲南的洱海水質監測。近日，該公司再次公開宣布多個典型應用案例，包括數個環保監測領域的應用案例，筆者整理這些成功案例，希望可以看到環保監測的科技新思路。

寶貴的水資源供應如何預測？

不管是熱電生產、農業、工業或水電生產、積雪量以及每年儲存在積雪中的地表水對於美國經濟都是至關重要，因為此類水源的用戶每年為美國的國內生產總值貢獻達到1.7萬億美元(佔比15%)。此外，積雪信息可用於預測乾旱和洪澇災害，在公共與私營經濟部門之間均等地分配水資源，而且對於農業規劃也是很關鍵。

然而，支配積雪、融雪和地表水的過程並不為大眾所熟知，因為它們很難測量。直到最近，研究人員一直依靠的都是零星部署在陡峭地形和極端環境情況之偏遠地點的有線感測器，這些環境包括山洪、厚厚的積雪、冰點以下的溫度、以及具有喜歡啃咬電纜的動物之地方。這些有線網路過於昂貴、不可靠、難以維護，且由於數據點過少而無法創建流域的態勢圖。

加州大學伯克利分校的一個項目組嘗試探索改善大規模環境監測的方法，並轉向無線感測器網路以了解該技術是否能夠實現一種更有效、可擴展和堅固的解決方案，這種解決方案在同一個無線電頻段內需要具有多個節點，即使對於高頻數據傳輸也能依靠電池運行至少一年，而且可在非常嚴酷的環境中正常運作。

雖然他們發現很多商用無線系統都能夠在兩點之間傳輸數據，但硬體通常包含了供電功率相對較高的無線電裝置，此類裝置所需的電能僅靠電池是無法提供的。另外，他們還發現:典型的點對點傳輸系統是獨立運作的，如果多條鏈路部署得過於接近(即是無線電傳輸範圍有重迭)，則在節點之間會存在有害的無線電干擾。

最終ADI公司的Dust Networks SmartMesh WSN技術進入該項目組的視線，由於它具有長電池壽命、智能網路特性和可擴展性。超低功耗的802.15.4 SmartMesh節點可實現長達數年的電池使用壽命。SmartMesh網路管理器提供的內置技術虧以創建一種自動形成、自愈、多跳網格網路。事實上，這些特性在大多數無線感測器網路中並非標配。

該通信系統由的無線節點和一個網路管理器組成。這些節點具有高度集成的硬體，以及用於實現簡單集成的可配置軟體介面。節點每15分鐘從負責測量積雪深度、太陽輻射、相對濕度、土壤水分和基質水勢、以及溫度的遠程感測器組傳送一次數據。有些節點直接連接至感測器組，其他則用作「中繼站」，以提高通過山脊、岩層露頭和森林進行數據傳輸時的可靠性。

智能泊車方案有效減少城市車流量和污染

據估計，30%的城市車流量是因為駕駛者尋找泊車位而引發的。在洛杉磯一小區里進行的車流量測量研究中，研究人員發現駕駛者為了找尋停車位而行駛超過95萬英里，產生的二氧化碳排放量達730噸，消耗的汽油量為47,000加侖。要找到一個空的車位可謂困難重重，而且充滿了隨機性，因而會導致浪費時間、交通擁堵、產生路怒症和污染等問題變得愈加嚴重。城市停車執法也是一種低效且極其耗費人力的舉措，通過這種方法來鎖定違法者簡直就像諺語里說的「大海撈針」。

理想的解決方案當然是能夠實時地從個別停車位收集數據，但這並不是一項簡單的任務。要為每個停車位排布供電和通信線路根本是不可能，而要頻繁更換電池同樣如此。因此，解決方案需採用無線技術，而且必需能夠依靠一次可運行數年之久的電池。另外，城市道路也不利於無線電射頻傳輸。汽車、貨車、卡車和公交車形成了持續不斷和動態的障礙物，這些障礙物會使無線電信號發生偏斜、反射和衰減。

綠色環保領域的創新型公司Streetline Networks選擇了SmartMesh無線網格網路技術來有效解決了這個難題。該公司的智能泊車解決方案將SmartMesh產品集成到其表面貼裝型和嵌入式感測器中，這些感測器包含了一系列的感測組件和邏輯器件，用以管理個別泊車位上的收集數據。

SmartMesh 經過驗證和先進的RF 靈活性使得Streetline 能可靠地將道路數據實時地傳輸至其基於網路的泊車管理應用套件。這些應用能告訴駕駛者哪裡可以找到停車位，當停車記時器顯示停車時間快到時可向駕駛者發送提示簡訊，甚至直接將停車執法人員引導至超時佔用泊車位的停車處。目前Streetline Networks 系統廣泛應用在包括紐約、洛杉磯、卡爾弗城(CA)、沃思堡市、阿什維爾，Streetline Networks有效幫助城市減少了交通堵塞，從而使得城市更清潔。

環境監測的幾大關鍵技術特性分析

無論是洱海水質監測還是本文分享的兩個環境監測項目，SmartMesh無線感測器網路獲得採納的關鍵無外乎幾大原因：

●動態可擴展的網路。支持可自動形成和易於擴展的大型、密集、多跳網格網路，它還提供了安全管理、用於優化感測器布局的詳細網路統計數據、確定性的節點電源管理，並可憑藉內置的網路狀態監控功能實施動態的網路優化。

●易於部署和配置簡單。長電池壽命、智能網路管理器和堅固的可擴展性。SmartMesh 網路為苛刻都市環境以及野外不確定性環境提供了必需的靈活性和可靠性。

●99.99%的高穩定性。SmartMesh產品線經過現場驗證，即使在最嚴苛的環境中也不失穩定性，其為一種完整的網格網路解決方案。它運用時間同步化網格協議以提供網路靈活性、可靠性和可擴展性，同時提供先進的網路管理及全面的安全特性。

●超低功耗讓維護成本更低。其通過負載平衡和優化進一步大幅提升電池效率，可將首次出現需要維護的時間推後。超低功耗技術允許網路節點依靠兩節AA 電池連續運行數年。

文章最後做一個IC設計工程師會感興趣的活動宣傳。

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