采用RFID传感系统监测熔岩洞穴

    目前，新墨西哥大学（UNM）的研究人员在正在开发一个基于ZigBee的无线RFID传感系统，以帮助科学家更好地了解洞穴和熔岩洞的自然环境和地球气候的潜在变化。研究人员认为，这项技术不仅能用在自然洞穴，还能用在矿井里，甚至可能用在其他星球上，如火星。

    洞穴外面的环境因素可以影响地下的状况。天气波动引起的空气压力的变化可以形成洞穴内的呼吸效应，因为冷暖空气是循环流通的。科学家们说，根据地下的一些状况，地球的很多事情已经被人们了解，但是目前那些深邃的或者难以进入的洞穴几乎没有得到任何的监测和探索。像这种洞穴的监测仪器需要不能对洞穴环境造成干扰。 

    研究小组最初考虑在洞穴中使用传感器进行地上研究，包含了一台波动传感器（热电偶来测量温度的快速波动）。2009年，这个研究小组（小组由新墨西哥大学电子工程专业副教授Anders Jorgensen领导）开始规划一套在洞穴里使用的系统，其中的传感器网络可以跟踪波动、温度、气压和湿度，然后每隔一段时间向后端系统传送数据，其中的信息可以被保存并分析。 

    2009年下半年，研究人员开发了一套采用2.4 GHz的RFID传感器的无线系统来收集有关洞穴状态的数据。研究小组建立的这套系统包括温度、气压、湿度和波动传感器，但是气压的信息不管用，Jorgensen说，因为测量仪器对于研究小组想要测量的压力变化不够敏感。每个传感器连接到一个板载处理器上，带有一个飞思卡尔半导体公司的电池供电的ZigBee收发器。 

    在2009年的部署中，小组里的研究生把6个传感器放在Junction洞穴墙壁附近的自然平地上，Junction洞穴在新墨西哥的El Malpais国家纪念碑处（位于阿尔布开克西边，距阿尔布开克约90分钟的路程）。还有些传感器被放置在洞穴里一些海拔较高的地方，因为洞穴的顶部较高。另外一些传感器被放置在洞穴顶部中间或顶部附近的位置。研究人员在1000英尺长的洞穴里的前几百英尺放置了传感器，它们的间距为30英尺，以保持有效的阅读范围。 

    每个传感器设备（包括 ZigBee收发器）大小约为2英寸×3英寸。部署的RFID技术方案中包含了新墨西哥大学购买的飞思卡尔半导体公司的MC1321X评估套件。每一个传感器形成了一个ZigBee网状网络，在网络中把数据传送到下一个传感器，直到传输到达中心（Linux系统上运行的一台小电脑），这个中心位于洞穴内45米处，在传感器的中央，装有研究小组研发的RFID软件用来接收、编译和管理数据。这些传感器测量湿度、温度和波动，并把这些测量信息和传感器装置唯一的ID号传送出去。这个中心的软件采集数据，编译测量结果并把这些结果与洞穴里的传感器和传感器的位置相连。 

    经过24小时之后，研究小组收集的数据显示了洞穴里的前几百英尺（系统安装的长度）发生的事情。系统安装到位的那个晚上外面下起了暴雨，但洞穴的内部是干燥的。数据表明在暴雨期间，洞穴内没有什么变化，但是那个雨夜在洞穴的顶部附近有较强的空气波动，这似乎与下雨的时间是一致的。Jorgensen说，一个令人惊讶的结果是人的存在似乎会影响读数。比如说当洞穴里有研究人员或者来访者的时候温度就会上升并加大波动。此类数据对科学家来说很重要，因为洞穴里人的出现可能会影响生态系统。 

    这项研究进行了24个小时，在研究的基础上，研究人员发现无线传感器系统可以可靠地采集和传送洞穴里的数据。这个小组还讨论了建立一套带有蜂窝式连接的系统，数据可以实时的从中心发送到后端服务器上。 

    Jorgensen说，在这之后，这个小组开发出一套更小的、更有效的系统，使用德州仪器的eZ430 - RF2480入门套件，有可能使基于ZigBee的RFID标签变得更小。学生们发现，新系统耗电量比以前的系统更少，而每个传感器节点的成本仅为25美元。节点尚未安装在任何洞穴，因为这样的工程将需要再投入一些资金。研究人员发现新型的较小的节点传输距离可达150英尺。新系统的运行时间预计超过80天，每分钟从4个传感器里采集取样。省电功能的实现得益于微控制器能够从传感器采集并传输数据，然后进入睡眠模式，直到下一次采集时再激活。