測量節點

作者:
Juan José Cabana González - Diseño Implementación y Optimización OPIDIS
Marian Chiriac - Fundación Santa María La Real
Jose M. de Uña García - OPIDIS

行業:
Construction

產品:
WLS-9163, NI WSN-3202, NI 9791, LabVIEW

挑戰:
通過監測環境因素來保護歷史遺跡又而不影響遺跡原貌的。

解決方案:
使用LabVIEW， NI無線傳感器網絡(WSN)以及NI WLS-9163接口為Santa María de Mave教堂開發監測系統。

"通過使用LabVIEW 和 NI WSN技術，團隊很容易地為一座12世紀的古跡開發了監測系統。LabVIEW和NI WSN技術所體現出來的優勢在于可以在不同地點將多種傳感器方便靈活的組成網絡。"

西 班牙，阿吉拉爾場（Aguilar de Campo）的Santa María la Real基金，為Santa María de Mave教堂及其修道院開展了一項修復工程，這座教堂可以追溯到12世紀。項目由Castile 和 León地方政府通過Románico Norte計劃提供資金，來支持Santa María la Real基金和遺產監測系統計劃(MHS)。本地行動小組País Románico也通過環境農業漁業部的開發計劃為Santa María la Real基金和遺產監測系統計劃籌措資金。

在這座具有歷史意義的教堂改造完成后，基金會意識到遺跡需要連續監測從而保護教堂不受環境衰退的侵害。因此，小組開發了一套實驗性的方案用于監測教堂的環境參數，包括如下幾方面：

• 教堂中殿內部17個位置的空氣溫度以及相對濕度
• 教堂外部的空氣溫度和相對濕度
• 一套位于教堂上部的微型氣象站的數據采集系統
• 結構振動的測量

教堂的保護團隊決定將這些測量數據存儲于一臺位于教堂內部的中央計算機，數據將被傳送到遠程站點用以觀察和管理。另外，還需要安裝一個紅外入口探測器、一個火警探測器以及一個用于遙控外部設備的裝置。

團隊選擇 LabVIEW來管理整個系統以及同時執行多個進程。他們同時選擇了NI WSN技術用于測量溫度和濕度參，以及入口探測器，火警探測器和制動器。此外團隊使用NI WLS-9163 Wi-Fi模塊結合三軸加速計來測量結構振動。

團隊較大的挑戰來自于線路的安裝與傳感器的隱藏，要在不妨礙遺跡外觀的同時保持良好的無線電信號，由于遺跡石墻和柱子的存在，這是很困難的。圖1描述了教堂中殿的傳感器網絡的大概位置。

Figure 1: 節點貢獻計劃

團隊在與中殿相連的小房間內安裝了兩個NI WSN-9791網關，基于美觀的考慮，將他們從人群的視野當中巧妙的隱藏了。然而，隱蔽的節點與中央計算機之間無線信號質量就變差了。為解決這一問題，團隊放置了高增益的外部天線(9 dB)并為兩個網關使用了1.5米的延長線，將天線的放置靠近木門的內框上，如圖2所示。

團隊使用了低功耗和易于連接的NI WSN-3202 模擬輸入節點，以及型號為為HMP50的溫度與濕度計。這一裝置每10秒鐘讀取一次溫度和濕度度值，計算每分鐘內的平均值，并將其傳給網關。只有在檢測到變化的時候，數字輸入（通道0和1）才會發送數據。只有當網關發送指令時數字輸出才會被激活，然后連接到特定位置的固態繼電器上。

起初，遺跡保護團隊安裝WSN-3202節點時沒有使用保護性外殼，如圖3所示。后來，團隊安裝節點時使用了可以著色容易隱藏的防水外殼。這樣可以選擇無線信號更好的位置。

團隊使用LabVIEW管理測量系統，開發了一套基于多線程的應用程序，可以同時執行若干進程。這些進程包括如下任務：

Figure 2: 測量節點

后來，小組把節點裝置放在防水的地方，那里更易于上色和隱藏。這使得這個位置成為信號接收的較佳位置。

團隊使用LabVIEW管理測量系統，開發了一套基于多線程的應用程序，可以同時執行若干進程。這些進程包括如下任務：

• 測量來自傳感器網絡和氣象站的數據
• 讀取來自加速計的數據
• 使用互聯網將數據傳送給遠方的數據庫
• 管理用戶界面

進程被均衡的分配在惠普（HP） Proliant ML115 G5服務器（一個四核Opteron CPU）的不同核上。應用程序調用Service Keeper and Service Mill的工具來作為Windows操作系統的服務運行。部分接口如圖4和5所示。

Figure 3: 用戶界面截圖

保護團隊安裝了一個氣象站，由串行線纜(RS232, RS485, RS422 及 SDI-12)連接到一個叫做Digiconnect Wi-SP的Wi-Fi裝置，它與一個Wi-Fi接入點相連。服務器上的DIGI Realport軟件仿真一個串口，LabVIEW應用程序由這個串口讀取氣象站的數據。

團隊使用同樣的策略連接WLS-9163裝置讀取三個加速度計通道的數據。他們將WLS-9163 Wi-Fi客戶端連接到Wi-Fi接入點，LabVIEW由模擬輸入通道讀取數據。

盡管傳輸無線信號的條件極其惡劣，WSN網絡依然穩定運行。所有的節點可以達到超過20% 的信號強度，節點偶爾會失去連接，對于這些節點而言只要有8%的信號強度他們就能夠傳輸數據。這種情況可以通過中繼節點來解決，但這種解決方案并不可行， 因為中繼節點并不能從外部獲取供電，會很快耗盡電池。

通過使用LabVIEW 和 NI WSN技術，團隊很輕松地為一座12世紀的古跡開發了監測系統。所體現出來的優勢在于可以在不同地點將多種傳感器方便靈活的組成網絡。。

通過在LabVIEW中開發節點程序允許在節點中完成復雜的數據處理，確保了節點電池的使用時間和更高的能源利用率。例如，保護團隊可以應用一種策 略，對采集到的數據求平均或進行其他復雜計算，當數據出現變化時，才會傳送數據。同樣的，節點間的數據傳輸功能也允許團隊實現遠程配置節點程序。教堂保護 團隊實現了他們的目標，維護了一座重要歷史寶庫的特色和完整性。

作者信息:
Juan José Cabana González
Diseño Implementación y Optimización OPIDIS
西班牙

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