在地震中，對人民生命財產(chǎn)安全造成最大傷害的就是建筑物的倒塌。而現(xiàn)今大都市中，摩天大樓林立，在汶川大地震中，北京地區(qū)也有震感，高層寫字樓均有晃動，大量人員有不適感，但直至通過廣播、網(wǎng)絡(luò)確認地震發(fā)生后，寫字樓人員方開始撤離。如果震中在北京附近，這幾分鐘的遲疑就會帶來高層寫字樓數(shù)千生命的消逝，而北京至少擁有數(shù)百棟高層寫字樓。

加速度計依然是監(jiān)測建筑物的最簡單有效方式。美國加州大學伯克利分校在Cross－bow的協(xié)助下對舊金山金門大橋部署過建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)。其本意是用來檢測橋體在風力作用下的各個關(guān)鍵受力點的振動狀況，整體數(shù)據(jù)建模后就可以分析出橋體受損老化嚴重的部分，從而進行有針對性的修補。

橋體和高層建筑有一個共同的特點，就是建筑結(jié)構(gòu)及其敏感，因此其前端的測量點部署很難采用有線方式，否則極易損害建筑結(jié)構(gòu)受力。而無線技術(shù)，特別是不需供電的低功耗無線技術(shù)，在解決建筑物健康監(jiān)測前端100米數(shù)據(jù)獲取中具有極其重要的意義。節(jié)點具有無線能力，體積較為小巧，可以很容易地安裝在建筑物的關(guān)鍵受力點上，而不影響建筑物外觀。具有低功耗能力，節(jié)點一經(jīng)部署不需要頻繁更換。省去了復(fù)雜耗時的布線操作，只要打開節(jié)點開關(guān)，位于建筑物監(jiān)控中心的接收終端就可以實時獲取數(shù)據(jù)，與建筑報警系統(tǒng)聯(lián)動后，一旦探測到可能威脅到建筑物的震動信息，立即發(fā)出報警通知建筑物內(nèi)人員撤離。平時該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來監(jiān)測建筑物老化狀況，為建筑物維護提供輔助決策信息。

Crossbow在國內(nèi)與哈爾濱工程大學歐進萍院士領(lǐng)導的研究團隊建立了聯(lián)合實驗室，專門針對建筑物健康監(jiān)測進行研究。相關(guān)研究成果已經(jīng)在國內(nèi)數(shù)座橋梁的維護工作中得到應(yīng)用。Crossbow也推出過提供全套源代碼的入門級振動套件，支持六個節(jié)點同步采集4G加速度計信息，并傳回網(wǎng)關(guān)，通過Labview進行后期建模分析工作，可以作為廣大研究和工程人員的一個參考設(shè)計。

問題與解決方案

1. 通信距離

在將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用野外時最大問題是如何保證Mote節(jié)點在重植被覆蓋下仍能正常組網(wǎng)通信。容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的山區(qū)往往植被密集，Crossbow在進行香港項目(環(huán)境非常類似山區(qū)，人跡罕至，高達一人高的野草和大量樹木)之前數(shù)次排人進行實地考察，并進行了詳細的討論和分析，最終2.4GHz被認為最為合適該環(huán)境的使用。

由上表可以看出，重植被與暴雨都會對無線信號產(chǎn)生衰減。433MHz由于其波長較長，因此繞射性能較好，在雨中具有較好的表現(xiàn)。2.4GHz由于波長較短，穿透性較好，在重植被環(huán)境下具有較好的表現(xiàn)。而根據(jù)上表重植被造成的衰減為暴雨的數(shù)千倍，且系統(tǒng)工作在降雨環(huán)境下的時間應(yīng)該在50％以下。因此2.4GHz應(yīng)該更適合野外環(huán)境的使用。

此外，考慮頻譜環(huán)境，目前使用2.4GHz的商用設(shè)備如WiFi，BlueTooth多為短距設(shè)備，因此2.4GHz頻段較為干凈，干擾較少。400MHz與900MHz的干擾則相對較多。在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時，大量使用的單兵電臺，步話機等及其容易造成相互干擾。從避免干擾的角度來說，2.4G是較佳的選擇。

盡管2.4GHz具有相對較好的表現(xiàn)，重植被和降雨仍然會對無線信號產(chǎn)生較大的衰減。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 節(jié)點，由于采用了全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設(shè)計生產(chǎn)。IRIS在通信距離指標上得到大幅提高，同時其功耗反而得到一定降低。

由上圖可見，在北京后海地區(qū)進行的湖面環(huán)境測試時，該節(jié)點達到了一公里的通信距離。在換裝5dBi增益天線后，IRIS節(jié)點在北京二環(huán)路上下班高峰時期的車輛密集情況下也達到了500米的通信距離。而其功耗相對原有的MicaZ節(jié)點降低了1/3左右。

2. 能源消耗

每個節(jié)點通過電池供電，在Crossbow公司的被稱為ELP電源管理機制下，電池電量能維持節(jié)點連續(xù)工作4年以上。ELP即為Extend Low Power 模式，為Crossbow公司原有Low Power 模式的改進版，能夠提供更加優(yōu)異的電量表現(xiàn)。在crossbow與中科院遙感所聯(lián)合開發(fā)的用以南極科考的氣象探測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在零下80度時還可保持長達一年的工作時間。

電池的電壓隨時被監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點會將電壓數(shù)據(jù)發(fā)至基站。這個數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，節(jié)點會處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個節(jié)點電壓過低的警告后，就可以有目的的進行系統(tǒng)的維護工作。當這個節(jié)點被重新?lián)Q上新電池后將自動正常工作。

3. 可靠通信

無線通信都存在一定的數(shù)據(jù)丟失率，在用在環(huán)境監(jiān)測中，丟失一次采集信息并不會對全局的海量數(shù)據(jù)造成任何影響。但是當用在地址災(zāi)害監(jiān)測中時，它所傳遞的信息關(guān)系重大，一旦丟失所造成影響及其嚴重。End to End的ACK提供了端到端的發(fā)送信息確認，專門用以發(fā)送類似的關(guān)心數(shù)據(jù)包，在該模式下每個數(shù)據(jù)包在經(jīng)過多跳傳輸?shù)竭_目的節(jié)點后，目的節(jié)點會立刻回傳一個ACK數(shù)據(jù)包，發(fā)送端在經(jīng)過確定時間延時(根據(jù)路由表跳數(shù)確定)沒有收到ACK數(shù)據(jù)包，會立刻重新發(fā)送，重復(fù)該過程直到數(shù)據(jù)包安全到達目的地。

總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項較新的技術(shù)，以其特有的能力可以解決日常生活中很多問題，本文結(jié)合作者專業(yè)所及為汶川大地震類似的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供一種采用新技術(shù)來提高監(jiān)測能力的設(shè)想。但是從設(shè)想到實現(xiàn)中間還會有相當長的路要走，這中間需要廣大科技工作者的不懈努力和投入。相對中國數(shù)量龐大的軟件和嵌入式開發(fā)人員而言，熟悉和了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的工程人員在中國仍然屈指可數(shù)。從軟件角度而言，在為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)編寫程序時，必須從整個網(wǎng)絡(luò)全局考慮，類似于把線程的概念擴展到成百上千個CPU之上，彼此配合來完成特定的工作。從硬件角度而言，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，必須考慮外部電路的低功耗設(shè)計，與手機，MP3等一天到幾天的工作時間相比，無線傳感器網(wǎng)路必須要考慮的是靠有限的電池工作數(shù)月乃至數(shù)年的時間。