环保监测中的无线感测器网络技术

ADI 总裁兼CEO Vincent Roche先生在年初的一篇产业趋势展望的文章中指出，无处不在的无线感测网络和数据将成为未来的一个重要的发展趋势之一。先进的材料、增强的功能和MEMS相结合，使感测器尺寸和成本得以突破，让无线感测器网络无处不在成为可能。他认为通过无线mesh网络在物联网和工业应用中的部署，无需大量重新布线即可在现有系统中添加感测功能，而从感测器到云的端到端安全性将成为工业用户大规模部署工业物联网的基本要求。

而在同期举办的ADI媒体交流活动中电源产品中国区市场总监Lorry Liang也透露，该公司无线网络解决方案SmartMesh在工业及环保等领域获得了多项重要的成功应用，其中包括中国云南的洱海水质监测。近日，该公司再次公开宣布多个典型应用案例，包括数个环保监测领域的应用案例，笔者整理这些成功案例，希望可以看到环保监测的科技新思路。

宝贵的水资源供应如何预测？

不管是热电生产、农业、工业或水电生产、积雪量以及每年储存在积雪中的地表水对于美国经济都是至关重要，因为此类水源的用户每年为美国的国内生产总值贡献达到1.7万亿美元(占比15%)。此外，积雪信息可用于预测干旱和洪涝灾害，在公共与私营经济部门之间均等地分配水资源，而且对于农业规划也是很关键。

然而，支配积雪、融雪和地表水的过程并不为大众所熟知，因为它们很难测量。直到最近，研究人员一直依靠的都是零星部署在陡峭地形和极端环境情况之偏远地点的有线感测器，这些环境包括山洪、厚厚的积雪、冰点以下的温度、以及具有喜欢啃咬电缆的动物之地方。这些有线网络过于昂贵、不可靠、难以维护，且由于数据点过少而无法创建流域的态势图。

加州大学伯克利分校的一个项目组尝试探索改善大规模环境监测的方法，并转向无线感测器网络以了解该技术是否能够实现一种更有效、可扩展和坚固的解决方案，这种解决方案在同一个无线电频段内需要具有多个节点，即使对于高频数据传输也能依靠电池运行至少一年，而且可在非常严酷的环境中正常运作。

虽然他们发现很多商用无线系统都能够在两点之间传输数据，但硬件通常包含了供电功率相对较高的无线电装置，此类装置所需的电能仅靠电池是无法提供的。另外，他们还发现:典型的点对点传输系统是独立运作的，如果多条链路部署得过于接近(即是无线电传输范围有重迭)，则在节点之间会存在有害的无线电干扰。

最终ADI公司的Dust Networks SmartMesh WSN技术进入该项目组的视线，由于它具有长电池寿命、智能网络特性和可扩展性。超低功耗的802.15.4 SmartMesh节点可实现长达数年的电池使用寿命。SmartMesh网络管理器提供的内置技术亏以创建一种自动形成、自愈、多跳网格网络。事实上，这些特性在大多数无线感测器网络中并非标配。

该通信系统由的无线节点和一个网络管理器组成。这些节点具有高度集成的硬件，以及用于实现简单集成的可配置软件界面。节点每15分钟从负责测量积雪深度、太阳辐射、相对湿度、土壤水分和基质水势、以及温度的远程感测器组传送一次数据。有些节点直接连接至感测器组，其他则用作“中继站”，以提高通过山脊、岩层露头和森林进行数据传输时的可靠性。

智能泊车方案有效减少城市车流量和污染

据估计，30%的城市车流量是因为驾驶者寻找泊车位而引发的。在洛杉矶一小区里进行的车流量测量研究中，研究人员发现驾驶者为了找寻停车位而行驶超过95万英里，产生的二氧化碳排放量达730吨，消耗的汽油量为47,000加仑。要找到一个空的车位可谓困难重重，而且充满了随机性，因而会导致浪费时间、交通拥堵、产生路怒症和污染等问题变得愈加严重。城市停车执法也是一种低效且极其耗费人力的举措，通过这种方法来锁定违法者简直就像谚语里说的“大海捞针”。

理想的解决方案当然是能够实时地从个别停车位收集数据，但这并不是一项简单的任务。要为每个停车位排布供电和通信线路根本是不可能，而要频繁更换电池同样如此。因此，解决方案需采用无线技术，而且必需能够依靠一次可运行数年之久的电池。另外，城市道路也不利于无线电射频传输。汽车、货车、卡车和公交车形成了持续不断和动态的障碍物，这些障碍物会使无线电信号发生偏斜、反射和衰减。

绿色环保领域的创新型公司Streetline Networks选择了SmartMesh无线网格网络技术来有效解决了这个难题。该公司的智能泊车解决方案将SmartMesh产品集成到其表面贴装型和嵌入式感测器中，这些感测器包含了一系列的感测组件和逻辑器件，用以管理个别泊车位上的收集数据。

SmartMesh 经过验证和先进的RF 灵活性使得Streetline 能可靠地将道路数据实时地传输至其基于网络的泊车管理应用套件。这些应用能告诉驾驶者哪里可以找到停车位，当停车记时器显示停车时间快到时可向驾驶者发送提示简讯，甚至直接将停车执法人员引导至超时占用泊车位的停车处。目前Streetline Networks 系统广泛应用在包括纽约、洛杉矶、卡尔弗城(CA)、沃思堡市、阿什维尔，Streetline Networks有效帮助城市减少了交通堵塞，从而使得城市更清洁。

环境监测的几大关键技术特性分析

无论是洱海水质监测还是本文分享的两个环境监测项目，SmartMesh无线感测器网络获得采纳的关键无外乎几大原因：

●动态可扩展的网络。支持可自动形成和易于扩展的大型、密集、多跳网格网络，它还提供了安全管理、用于优化感测器布局的详细网络统计数据、确定性的节点电源管理，并可凭借内置的网络状态监控功能实施动态的网络优化。

●易于部署和配置简单。长电池寿命、智能网络管理器和坚固的可扩展性。SmartMesh 网络为苛刻都市环境以及野外不确定性环境提供了必需的灵活性和可靠性。

●99.99%的高稳定性。SmartMesh产品线经过现场验证，即使在最严苛的环境中也不失稳定性，其为一种完整的网格网络解决方案。它运用时间同步化网格协议以提供网络灵活性、可靠性和可扩展性，同时提供先进的网络管理及全面的安全特性。

●超低功耗让维护成本更低。其通过负载平衡和优化进一步大幅提升电池效率，可将首次出现需要维护的时间推后。超低功耗技术允许网络节点依靠两节AA 电池连续运行数年。

文章最后做一个IC设计工程师会感兴趣的活动宣传。