概要：Dust Networks 的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)解決方案使得 CITRIS 能夠采用分布在加州東部?jī)?nèi)華達(dá)山脈中一個(gè)偏遠(yuǎn)、多山和環(huán)境惡劣之 0.5 平方英里區(qū)域的 300 個(gè)傳感器，可靠地從積雪狀況中搜集實(shí)時(shí)含水量數(shù)據(jù)。

挑戰(zhàn)：研究人員需要一種能夠在嚴(yán)酷情況下進(jìn)行可靠傳輸?shù)拿芗⒋笮汀⒌统杀镜臒o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期不需維護(hù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

解決方案：研究小組選擇了Dust Networks SmartMeshWSN 技術(shù)。SmartMesh 整合了超低功秏 Eterna? 技術(shù)802.15.4 節(jié)點(diǎn)和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)所需的電池長(zhǎng)壽命以及自動(dòng)形成、自愈、多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。

挑戰(zhàn)

不管是熱電生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)或水電生產(chǎn)，積雪量以及每年儲(chǔ)存在積雪中的地表水對(duì)于美國(guó)經(jīng)濟(jì)都是至關(guān)重要，因?yàn)榇祟?lèi)水源的用戶(hù)每年為美國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值貢獻(xiàn)達(dá)到1.7 萬(wàn)億美元 (占比 15%)。僅在加利福尼亞州一地，降雪對(duì)于生產(chǎn)收入的貢獻(xiàn)幾乎占到了加州 GDP 的 30%。積雪信息可用于預(yù)測(cè)干旱和洪澇災(zāi)害，在公共與私營(yíng)經(jīng)濟(jì)部門(mén)之間均等地分配水資源，而且對(duì)于農(nóng)業(yè)規(guī)劃也是很關(guān)鍵。

在積雪皚皚的多山地區(qū)中，支配積雪、融雪和地表水的過(guò)程并不為大眾所熟知，因?yàn)樗鼈兒茈y測(cè)量。直到最近，研究人員一直所依靠的是零星部署在陡峭地形和極端環(huán)境情況之偏遠(yuǎn)地點(diǎn)的有線(xiàn)傳感器，這些環(huán)境包括山洪、厚厚的積雪、冰點(diǎn)以下的溫度、以及具有喜歡啃咬電纜的動(dòng)物之地方。這些有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)過(guò)于昂貴、不可靠、以及難以維護(hù)，且由于數(shù)據(jù)點(diǎn)過(guò)少而無(wú)法創(chuàng)建流域的態(tài)勢(shì)圖。

在 CITRIS (Center for Information Technology Research in the Interests of Society) 的一個(gè)合作項(xiàng)目中，加州大學(xué)伯克利分校的 Roger C. Bales、UC Merced 和 Steven D. Glaser 探索了改善大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測(cè)的方法，并轉(zhuǎn)向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 以了解該技術(shù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)一種更有效、可擴(kuò)展和堅(jiān)固的解決方案。Glaser 博士說(shuō)：“我們需要一種擁有空間和時(shí)間密集性的可靠 WSN，其在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻段內(nèi)具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，即使對(duì)于高頻數(shù)據(jù)傳輸也能依靠電池運(yùn)行至少一年，而且可在非常嚴(yán)酷的環(huán)境中正常運(yùn)作。”

雖然他們發(fā)現(xiàn)很多商用無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)都能夠在兩點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，但硬件通常包含了供電功率相對(duì)較高的無(wú)線(xiàn)電裝置，此類(lèi)裝置所需的電能僅靠電池是無(wú)法提供的。另外，他們還發(fā)現(xiàn)：典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)作的，如果多條鏈路部署得過(guò)于接近 (即是無(wú)線(xiàn)電傳輸范圍有重迭)，則在節(jié)點(diǎn)之間會(huì)存在有害的無(wú)線(xiàn)電干擾。

解決方案

Glaser 博士選擇了 Dust Networks? SmartMesh? WSN 技術(shù)，由于它具有長(zhǎng)電池壽命、智能網(wǎng)絡(luò)特性和可擴(kuò)展性。超低功耗的 802.15.4 SmartMesh 節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的電池使用壽命。SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)管理器提供了先進(jìn)的內(nèi)置技術(shù)，以創(chuàng)建一種自動(dòng)形成、自愈、多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。Glaser 博士說(shuō)：“這些特性在大多數(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中并非是標(biāo)準(zhǔn)配置。若當(dāng)初我們要設(shè)計(jì)和執(zhí)行堆棧級(jí)控制和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)算法以提供所需的特性，那么，我們的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)肯定需要長(zhǎng)得多的時(shí)間 (甚至多出數(shù)年之久) 才能建立起來(lái)。”

通信系統(tǒng)由 Dust Networks 的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器組成。這些節(jié)點(diǎn)具有高度集成的硬件，以及用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單集成的可配置軟件接口。節(jié)點(diǎn)每 15 分鐘從負(fù)責(zé)測(cè)量積雪深度、太陽(yáng)輻射、相對(duì)濕度、土壤水分和基質(zhì)水勢(shì)、以及溫度的遠(yuǎn)程傳感器組傳送一次數(shù)據(jù)。有些節(jié)點(diǎn)直接連接至傳感器組；其它則用作“中繼站”，以提高通過(guò)山脊、巖層露頭和森林進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的可靠性。SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)管理器支持可自動(dòng)形成和易于擴(kuò)展的大型、密集、多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。另外，它還提供了安全管理、用于優(yōu)化傳感器布局的詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、確定性的節(jié)點(diǎn)電源管理，并可憑借內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控功能實(shí)施動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。網(wǎng)絡(luò)管理器通過(guò)以太網(wǎng)將傳感器數(shù)據(jù)傳送至一部本地計(jì)算器。該計(jì)算器安放在一座 40 英尺高的塔之底部，而一個(gè)置于塔的較高位置之GPRS 調(diào)制解調(diào)器負(fù)責(zé)提供互聯(lián)網(wǎng)連接，以實(shí)現(xiàn)至某個(gè)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)位置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

結(jié)果

利用一個(gè)含有 57 個(gè)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)在 23 個(gè)測(cè)量位置上部署了 300 多個(gè)傳感器，用于收集和傳輸國(guó)王河實(shí)驗(yàn)流域(這是位于謝拉山脈南部的一個(gè)偏遠(yuǎn)、地形垂直陡峭、森林茂密的上游源頭流域) 0.5 平方英里區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

Steven Glaser、Roger C. Bales 和他們的研究生 Branko Kerkez創(chuàng)立了一種 WSN 部署方法，并且表明：基于 DustNetworks 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了一種可靠、靈活性強(qiáng)和可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)解決方案，通過(guò)最大限度地提高通路可靠性、延長(zhǎng)電池壽命和擴(kuò)大空間覆蓋來(lái)滿(mǎn)足環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求。

Bales 說(shuō)：“目前，水資源管理者必需對(duì)水的可用量做出保守估計(jì)。鑒于很多情況他們并不了解，所以不得不如此。如果我們以一種人們能夠使用的方式來(lái)降低其估測(cè)中的不確定性，我們就可以容易地想象到：國(guó)家經(jīng)濟(jì)將因此而增加數(shù)億美元的收入。”

為什么與 Dust Networks 進(jìn)行合作呢? Dust Networks 是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的先驅(qū)，當(dāng)超低功耗至關(guān)緊要時(shí)可提供智能網(wǎng)格技術(shù)。Dust Networks 正在劃定智能設(shè)備的連接方式。采用基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Dust Networks 設(shè)計(jì)了芯片、模塊和管理器，這有助構(gòu)建具先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)管理及全面安全特性的可靠、靈活和可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。