用LabVIEW和WSN技术监测一座名胜古迹

西班牙，阿吉拉尔场（Aguilar de Campo）的Santa María la Real基金，为Santa María de Mave教堂及其修道院开展了一项修复工程，这座教堂可以追溯到12世纪。项目由Castile 和 León地方政府通过Románico Norte计划提供资金，来支持Santa María la Real基金和遗产监测系统计划(MHS)。本地行动小组País Románico也通过环境农业渔业部的开发计划为Santa María la Real基金和遗产监测系统计划筹措资金。

在这座具有历史意义的教堂改造完成后，基金会意识到遗迹需要连续监测从而保护教堂不受环境衰退的侵害。因此，小组开发了一套实验性的方案用于监测教堂的环境参数，包括如下几方面：

教堂中殿内部17个位置的空气温度以及相对湿度

教堂外部的空气温度和相对湿度

一套位于教堂上部的微型气象站的数据采集系统

结构振动的测量

教堂的保护团队决定将这些测量数据存储于一台位于教堂内部的中央计算机，数据将被传送到远程站点用以观察和管理。另外，还需要安装一个红外入口探测器、一个火警探测器以及一个用于遥控外部设备的装置。

团队选择 LabVIEW来管理整个系统以及同时执行多个进程。他们同时选择了NI WSN技术用于测量温度和湿度参，以及入口探测器，火警探测器和制动器。此外团队使用NI WLS-9163 Wi-Fi模块结合三轴加速计来测量结构振动。

团队最大的挑战来自于线路的安装与传感器的隐藏，要在不妨碍遗迹外观的同时保持良好的无线电信号，由于遗迹石墙和柱子的存在，这是很困难的。图1描述了教堂中殿的传感器网络的大概位置。



Figure 1: 节点贡献计划

团队在与中殿相连的小房间内安装了两个NI WSN-9791网关，基于美观的考虑，将他们从人群的视野当中巧妙的隐藏了。然而，隐蔽的节点与中央计算机之间无线信号质量就变差了。为解决这一问题，团队放置了高增益的外部天线(9 dB)并为两个网关使用了1.5米的延长线，将天线的放置靠近木门的内框上，如图2所示。

团队使用了低功耗和易于连接的NI WSN-3202 模拟输入节点，以及型号为为HMP50的温度与湿度计。这一装置每10秒钟读取一次温度和湿度度值，计算每分钟内的平均值，并将其传给网关。只有在检测到变化的时候，数字输入（通道0和1）才会发送数据。只有当网关发送指令时数字输出才会被激活，然后连接到特定位置的固态继电器上。

起初，遗迹保护团队安装WSN-3202节点时没有使用保护性外壳，如图3所示。后来，团队安装节点时使用了可以着色容易隐藏的防水外壳。这样可以选择无线信号更好的位置。

团队使用LabVIEW管理测量系统，开发了一套基于多线程的应用程序，可以同时执行若干进程。这些进程包括如下任务：



Figure 2: 测量节点

后来，小组把节点装置放在防水的地方，那里更易于上色和隐藏。这使得这个位置成为信号接收的较佳位置。

团队使用LabVIEW管理测量系统，开发了一套基于多线程的应用程序，可以同时执行若干进程。这些进程包括如下任务：

测量来自传感器网络和气象站的数据

读取来自加速计的数据

使用互联网将数据传送给远方的数据库

管理用户界面

进程被均衡的分配在惠普（HP） Proliant ML115 G5服务器（一个四核Opteron CPU）的不同核上。应用程序调用Service Keeper and Service Mill的工具来作为Windows操作系统的服务运行。部分接口如图4和5所示。



Figure 3: 用户界面截图

保护团队安装了一个气象站，由串行线缆(RS232, RS485, RS422 及 SDI-12)连接到一个叫做Digiconnect Wi-SP的Wi-Fi装置，它与一个Wi-Fi接入点相连。服务器上的DIGI Realport软件仿真一个串口，LabVIEW应用程序由这个串口读取气象站的数据。

团队使用同样的策略连接WLS-9163装置读取三个加速度计通道的数据。他们将WLS-9163 Wi-Fi客户端连接到Wi-Fi接入点，LabVIEW由模拟输入通道读取数据。

尽管传输无线信号的条件极其恶劣，WSN网络依然稳定运行。所有的节点可以达到超过20% 的信号强度，节点偶尔会失去连接，对于这些节点而言只要有8%的信号强度他们就能够传输数据。这种情况可以通过中继节点来解决，但这种解决方案并不可行，因为中继节点并不能从外部获取供电，会很快耗尽电池。

通过使用LabVIEW 和 NI WSN技术，团队很轻松地为一座12世纪的古迹开发了监测系统。所体现出来的优势在于可以在不同地点将多种传感器方便灵活的组成网络。。

通过在LabVIEW中开发节点程序允许在节点中完成复杂的数据处理，确保了节点电池的使用时间和更高的能源利用率。例如，保护团队可以应用一种策略，对采集到的数据求平均或进行其他复杂计算，当数据出现变化时，才会传送数据。同样的，节点间的数据传输功能也允许团队实现远程配置节点程序。教堂保护团队实现了他们的目标，维护了一座重要历史宝库的特色和完整性。