產(chǎn)品:WLS-9163, NI WSN-3202, NI 9791, LabVIEW

    挑戰:通過(guò)監測環(huán)境因素來(lái)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)以及NI WLS-9163接口為Santa María de Mave教堂開(kāi)發(fā)監測系統。
"通過(guò)使用LabVIEW 和 NI WSN技術(shù)，團隊很容易地為一座12世紀的古跡開(kāi)發(fā)了監測系統。LabVIEW和NI WSN技術(shù)所體現出來(lái)的優(yōu)勢在于可以在不同地點(diǎn)將多種傳感器方便靈活的組成網(wǎng)絡(luò )。"

    西 班牙，阿吉拉爾場(chǎng)（Aguilar de Campo）的Santa María la Real基金，為Santa María de Mave教堂及其修道院開(kāi)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(guò)Románico Norte計劃提供資金，來(lái)支持Santa María la Real基金和遺產(chǎn)監測系統計劃(MHS)。本地行動(dòng)小組País Románico也通過(guò)環(huán)境農業(yè)漁業(yè)部的開(kāi)發(fā)計劃為Santa María la Real基金和遺產(chǎn)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(huì )意識到遺跡需要連續監測從而保護教堂不受環(huán)境衰退的侵害。因此，小組開(kāi)發(fā)了一套實(shí)驗性的方案用于監測教堂的環(huán)境參數，包括如下幾方面：

    教堂中殿內部17個(gè)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(dòng)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(diǎn)用以觀(guān)察和管理。另外，還需要安裝一個(gè)紅外入口探測器、一個(gè)火警探測器以及一個(gè)用于遙控外部設備的裝置。

    團隊選擇 LabVIEW來(lái)管理整個(gè)系統以及同時(shí)執行多個(gè)進(jìn)程。他們同時(shí)選擇了NI WSN技術(shù)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(dòng)器。此外團隊使用NI WLS-9163 Wi-Fi模塊結合三軸加速計來(lái)測量結構振動(dòng)。

    團隊最大的挑戰來(lái)自于線(xiàn)路的安裝與傳感器的隱藏，要在不妨礙遺跡外觀(guān)的同時(shí)保持良好的無(wú)線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )的大概位置。

                    

                                  Figure 1: 節點(diǎn)貢獻計劃

    團隊在與中殿相連的小房間內安裝了兩個(gè)NI WSN-9791網(wǎng)關(guān)，基于美觀(guān)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(diǎn)與中央計算機之間無(wú)線(xiàn)信號質(zhì)量就變差了。為解決這一問(wèn)題，團隊放置了高增益的外部天線(xiàn)(9 dB)并為兩個(gè)網(wǎng)關(guān)使用了1.5米的延長(cháng)線(xiàn)，將天線(xiàn)的放置靠近木門(mén)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(diǎn)，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(wǎng)關(guān)。只有在檢測到變化的時(shí)候，數字輸入（通道0和1）才會(huì )發(fā)送數據。只有當網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令時(shí)數字輸出才會(huì )被激活，然后連接到特定位置的固態(tài)繼電器上。

    起初，遺跡保護團隊安裝WSN-3202節點(diǎn)時(shí)沒(méi)有使用保護性外殼，如圖3所示。后來(lái)，團隊安裝節點(diǎn)時(shí)使用了可以著(zhù)色容易隱藏的防水外殼。這樣可以選擇無(wú)線(xiàn)信號更好的位置。

    團隊使用LabVIEW管理測量系統，開(kāi)發(fā)了一套基于多線(xiàn)程的應用程序，可以同時(shí)執行若干進(jìn)程。這些進(jìn)程包括如下任務(wù)：

                    

                                     Figure 2: 測量節點(diǎn)

    后來(lái)，小組把節點(diǎn)裝置放在防水的地方，那里更易于上色和隱藏。這使得這個(gè)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(kāi)發(fā)了一套基于多線(xiàn)程的應用程序，可以同時(shí)執行若干進(jìn)程。這些進(jìn)程包括如下任務(wù)：

    測量來(lái)自傳感器網(wǎng)絡(luò )和氣象站的數據
    讀取來(lái)自加速計的數據
    使用互聯(lián)網(wǎng)將數據傳送給遠方的數據庫
    管理用戶(hù)界面
    進(jìn)程被均衡的分配在惠普（HP） Proliant ML115 G5服務(wù)器（一個(gè)四核Opteron CPU）的不同核上。應用程序調用 Service Keeper and Service Mill的工具來(lái)作為Windows操作系統的服務(wù)運行。部分接口如圖4和5所示。

                   

                                  Figure 3: 用戶(hù)界面截圖

    保護團隊安裝了一個(gè)氣象站，由串行線(xiàn)纜(RS232, RS485, RS422 及 SDI-12)連接到一個(gè)叫做Digiconnect Wi-SP的Wi-Fi裝置，它與一個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)相連。服務(wù)器上的DIGI Realport軟件仿真一個(gè)串口，LabVIEW應用程序由這個(gè)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(gè)加速度計通道的數據。他們將WLS-9163 Wi-Fi客戶(hù)端連接到Wi-Fi接入點(diǎn)，LabVIEW由模擬輸入通道讀取數據。

    盡管傳輸無(wú)線(xiàn)信號的條件極其惡劣，WSN網(wǎng)絡(luò )依然穩定運行。所有的節點(diǎn)可以達到超過(guò)20% 的信號強度，節點(diǎn)偶爾會(huì )失去連接，對于這些節點(diǎn)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(guò)中繼節點(diǎn)來(lái)解決，但這種解決方案并不可行， 因為中繼節點(diǎn)并不能從外部獲取供電，會(huì )很快耗盡電池。

    通過(guò)使用LabVIEW 和 NI WSN技術(shù)，團隊很輕松地為一座12世紀的古跡開(kāi)發(fā)了監測系統。所體現出來(lái)的優(yōu)勢在于可以在不同地點(diǎn)將多種傳感器方便靈活的組成網(wǎng)絡(luò )。

    通過(guò)在LabVIEW中開(kāi)發(fā)節點(diǎn)程序允許在節點(diǎn)中完成復雜的數據處理，確保了節點(diǎn)電池的使用時(shí)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(jìn)行其他復雜計算，當數據出現變化時(shí)，才會(huì )傳送數據。同樣的，節點(diǎn)間的數據傳輸功能也允許團隊實(shí)現遠程配置節點(diǎn)程序。教堂保護 團隊實(shí)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。