UNM研究人員采用RFID傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)熔巖洞穴

      目前，新墨西哥大學(xué)（UNM）的研究人員在正在開發(fā)一個(gè)基于ZigBee的無線RFID傳感系統(tǒng)，以幫助科學(xué)家更好地了解洞穴和熔巖洞的自然環(huán)境和地球氣候的潛在變化。研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)不僅能用在自然洞穴，還能用在礦井里，甚至可能用在其他星球上，如火星。

      洞穴外面的環(huán)境因素可以影響地下的狀況。天氣波動(dòng)引起的空氣壓力的變化可以形成洞穴內(nèi)的呼吸效應(yīng)，因?yàn)槔渑諝馐茄h(huán)流通的?？茖W(xué)家們說，根據(jù)地下的一些狀況，地球的很多事情已經(jīng)被人們了解，但是目前那些深邃的或者難以進(jìn)入的洞穴幾乎沒有得到任何的監(jiān)測(cè)和探索。像這種洞穴的監(jiān)測(cè)儀器需要不能對(duì)洞穴環(huán)境造成干擾。

      研究小組最初考慮在洞穴中使用傳感器進(jìn)行地上研究，包含了一臺(tái)波動(dòng)傳感器（熱電偶來測(cè)量溫度的快速波動(dòng)）。2009年，這個(gè)研究小組（小組由新墨西哥大學(xué)電子工程專業(yè)副教授Anders Jorgensen領(lǐng)導(dǎo)）開始規(guī)劃一套在洞穴里使用的系統(tǒng)，其中的傳感器網(wǎng)絡(luò)可以跟蹤波動(dòng)、溫度、氣壓和濕度，然后每隔一段時(shí)間向后端系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，其中的信息可以被保存并分析。

       2009年下半年，研究人員開發(fā)了一套采用2.4 GHz的RFID傳感器的無線系統(tǒng)來收集有關(guān)洞穴狀態(tài)的數(shù)據(jù)。研究小組建立的這套系統(tǒng)包括溫度、氣壓、濕度和波動(dòng)傳感器，但是氣壓的信息不管用，Jorgensen說，因?yàn)闇y(cè)量?jī)x器對(duì)于研究小組想要測(cè)量的壓力變化不夠敏感。每個(gè)傳感器連接到一個(gè)板載處理器上，帶有一個(gè)飛思卡爾半導(dǎo)體公司的電池供電的ZigBee收發(fā)器。

       在2009年的部署中，小組里的研究生把6個(gè)傳感器放在Junction洞穴墻壁附近的自然平地上，Junction洞穴在新墨西哥的El Malpais國(guó)家紀(jì)念碑處（位于阿爾布開克西邊，距阿爾布開克約90分鐘的路程）。還有些傳感器被放置在洞穴里一些海拔較高的地方，因?yàn)槎囱ǖ捻敳枯^高。另外一些傳感器被放置在洞穴頂部中間或頂部附近的位置。研究人員在1000英尺長(zhǎng)的洞穴里的前幾百英尺放置了傳感器，它們的間距為30英尺，以保持有效的閱讀范圍。

       每個(gè)傳感器設(shè)備（包括 ZigBee收發(fā)器）大小約為2英寸×3英寸。部署的RFID技術(shù)方案中包含了新墨西哥大學(xué)購(gòu)買的飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC1321X評(píng)估套件。每一個(gè)傳感器形成了一個(gè)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中把數(shù)據(jù)傳送到下一個(gè)傳感器，直到傳輸?shù)竭_(dá)中心（Linux系統(tǒng)上運(yùn)行的一臺(tái)小電腦），這個(gè)中心位于洞穴內(nèi)45米處，在傳感器的中央，裝有研究小組研發(fā)的RFID軟件用來接收、編譯和管理數(shù)據(jù)。這些傳感器測(cè)量濕度、溫度和波動(dòng)，并把這些測(cè)量信息和傳感器裝置唯一的ID號(hào)傳送出去。這個(gè)中心的軟件采集數(shù)據(jù)，編譯測(cè)量結(jié)果并把這些結(jié)果與洞穴里的傳感器和傳感器的位置相連。 

      經(jīng)過24小時(shí)之后，研究小組收集的數(shù)據(jù)顯示了洞穴里的前幾百英尺（系統(tǒng)安裝的長(zhǎng)度）發(fā)生的事情。系統(tǒng)安裝到位的那個(gè)晚上外面下起了暴雨，但洞穴的內(nèi)部是干燥的。數(shù)據(jù)表明在暴雨期間，洞穴內(nèi)沒有什么變化，但是那個(gè)雨夜在洞穴的頂部附近有較強(qiáng)的空氣波動(dòng)，這似乎與下雨的時(shí)間是一致的。Jorgensen說，一個(gè)令人驚訝的結(jié)果是人的存在似乎會(huì)影響讀數(shù)。比如說當(dāng)洞穴里有研究人員或者來訪者的時(shí)候溫度就會(huì)上升并加大波動(dòng)。此類數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)家來說很重要，因?yàn)槎囱ɡ锶说某霈F(xiàn)可能會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)。 

      這項(xiàng)研究進(jìn)行了24個(gè)小時(shí)，在研究的基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)現(xiàn)無線傳感器系統(tǒng)可以可靠地采集和傳送洞穴里的數(shù)據(jù)。這個(gè)小組還討論了建立一套帶有蜂窩式連接的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)的從中心發(fā)送到后端服務(wù)器上。

       Jorgensen說，在這之后，這個(gè)小組開發(fā)出一套更小的、更有效的系統(tǒng)，使用德州儀器的eZ430 - RF2480入門套件，有可能使基于ZigBee的RFID標(biāo)簽變得更小。學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，新系統(tǒng)耗電量比以前的系統(tǒng)更少，而每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的成本僅為25美元。節(jié)點(diǎn)尚未安裝在任何洞穴，因?yàn)檫@樣的工程將需要再投入一些資金。研究人員發(fā)現(xiàn)新型的較小的節(jié)點(diǎn)傳輸距離可達(dá)150英尺。新系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間預(yù)計(jì)超過80天，每分鐘從4個(gè)傳感器里采集取樣。省電功能的實(shí)現(xiàn)得益于微控制器能夠從傳感器采集并傳輸數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入睡眠模式，直到下一次采集時(shí)再激活。