概要：Dust Networks 的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡解決方案使得 CITRIS 能夠采用分布在加州東部內華達山脈中一個偏遠、多山和環(huán)境惡劣之 0.5 平方英里區(qū)域的 300 個傳感器，可靠地從積雪狀況中搜集實時含水量數(shù)據(jù)。
挑戰(zhàn)：研究人員需要一種能夠在嚴酷情況下進行可靠傳輸?shù)拿芗⒋笮汀⒌统杀镜臒o線傳感器網(wǎng)絡 (WSN)，以實現(xiàn)長期不需維護的環(huán)境監(jiān)測。
解決方案：研究小組選擇了Dust Networks SmartMeshWSN 技術。SmartMesh 整合了超低功秏 Eterna? 技術802.15.4 節(jié)點和先進的網(wǎng)絡管理功能，可實現(xiàn)遠程監(jiān)測所需的電池長壽命以及自動形成、自愈、多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡。
挑戰(zhàn)
不管是熱電生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)或水電生產(chǎn)，積雪量以及每年儲存在積雪中的地表水對于美國經(jīng)濟都是至關重要，因為此類水源的用戶每年為美國的國內生產(chǎn)總值貢獻達到1.7 萬億美元 (占比 15%)。僅在加利福尼亞州一地，降雪對于生產(chǎn)收入的貢獻幾乎占到了加州 GDP 的 30%。積雪信息可用于預測干旱和洪澇災害，在公共與私營經(jīng)濟部門之間均等地分配水資源，而且對于農(nóng)業(yè)規(guī)劃也是很關鍵。
在積雪皚皚的多山地區(qū)中，支配積雪、融雪和地表水的過程并不為大眾所熟知，因為它們很難測量。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)境情況之偏遠地點的有線傳感器，這些環(huán)境包括山洪、厚厚的積雪、冰點以下的溫度、以及具有喜歡啃咬電纜的動物之地方。這些有線網(wǎng)絡過于昂貴、不可靠、以及難以維護，且由于數(shù)據(jù)點過少而無法創(chuàng)建流域的態(tài)勢圖。
在 CITRIS (Center for Information Technology Research in the Interests of Society) 的一個合作項目中，加州大學伯克利分校的 Roger C. Bales、UC Merced 和 Steven D. Glaser 探索了改善大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測的方法，并轉向無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN) 以了解該技術是否能夠實現(xiàn)一種更有效、可擴展和堅固的解決方案。Glaser 博士說：“我們需要一種擁有空間和時間密集性的可靠 WSN，其在同一個無線電頻段內具有多個節(jié)點，即使對于高頻數(shù)據(jù)傳輸也能依靠電池運行至少一年，而且可在非常嚴酷的環(huán)境中正常運作。”
雖然他們發(fā)現(xiàn)很多商用無線系統(tǒng)都能夠在兩點之間傳輸數(shù)據(jù)，但硬件通常包含了供電功率相對較高的無線電裝置，此類裝置所需的電能僅靠電池是無法提供的。另外，他們還發(fā)現(xiàn)：典型的點對點傳輸系統(tǒng)是獨立運作的，如果多條鏈路部署得過于接近 (即是無線電傳輸范圍有重迭)，則在節(jié)點之間會存在有害的無線電干擾。
解決方案
Glaser 博士選擇了 Dust Networks? SmartMesh? WSN 技術，由于它具有長電池壽命、智能網(wǎng)絡特性和可擴展性。超低功耗的 802.15.4 SmartMesh 節(jié)點可實現(xiàn)長達數(shù)年的電池使用壽命。SmartMesh 網(wǎng)絡管理器提供了先進的內置技術，以創(chuàng)建一種自動形成、自愈、多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡。Glaser 博士說：“這些特性在大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡中并非是標準配置。若當初我們要設計和執(zhí)行堆棧級控制和復雜網(wǎng)絡算法以提供所需的特性，那么，我們的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)肯定需要長得多的時間 (甚至多出數(shù)年之久) 才能建立起來。”
通信系統(tǒng)由 Dust Networks 的無線節(jié)點和一個網(wǎng)絡管理器組成。這些節(jié)點具有高度集成的硬件，以及用于實現(xiàn)簡單集成的可配置軟件接口。節(jié)點每 15 分鐘從負責測量積雪深度、太陽輻射、相對濕度、土壤水分和基質水勢、以及溫度的遠程傳感器組傳送一次數(shù)據(jù)。有些節(jié)點直接連接至傳感器組；其它則用作“中繼站”，以提高通過山脊、巖層露頭和森林進行數(shù)據(jù)傳輸時的可靠性。SmartMesh 網(wǎng)絡管理器支持可自動形成和易于擴展的大型、密集、多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡。另外，它還提供了安全管理、用于優(yōu)化傳感器布局的詳細網(wǎng)絡統(tǒng)計數(shù)據(jù)、確定性的節(jié)點電源管理，并可憑借內置的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控功能實施動態(tài)的網(wǎng)絡優(yōu)化。網(wǎng)絡管理器通過以太網(wǎng)將傳感器數(shù)據(jù)傳送至一部本地計算器。該計算器安放在一座 40 英尺高的塔之底部，而一個置于塔的較高位置之GPRS
調制解調器負責提供互聯(lián)網(wǎng)連接，以實現(xiàn)至某個遠離現(xiàn)場位置的實時數(shù)據(jù)傳輸。
結果
利用一個含有 57 個無線節(jié)點的網(wǎng)絡在 23 個測量位置上部署了 300 多個傳感器，用于收集和傳輸國王河實驗流域(這是位于謝拉山脈南部的一個偏遠、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)域內的相關數(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 標準的網(wǎng)格網(wǎng)絡技術提供了一種可靠、靈活性強和可擴展的網(wǎng)絡解決方案，通過最大限度地提高通路可靠性、延長電池壽命和擴大空間覆蓋來滿足環(huán)境監(jiān)測應用的需求。
Bales 說：“目前，水資源管理者必需對水的可用量做出保守估計。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降低其估測中的不確定性，我們就可以容易地想象到：國家經(jīng)濟將因此而增加數(shù)億美元的收入。”
為什么與 Dust Networks 進行合作呢? Dust Networks 是無線傳感器網(wǎng)絡領域的先驅，當超低功耗至關緊要時可提供智能網(wǎng)格技術。Dust Networks 正在劃定智能設備的連接方式。采用基于標準的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡技術，Dust Networks 設計了芯片、模塊和管理器，這有助構建具先進網(wǎng)絡管理及全面安全特性的可靠、靈活和可擴展的網(wǎng)絡。
