采用RFID傳感系統監測熔巖洞穴

目前，新墨西哥大學（UNM）的研究人員在正在開發一個基于ZigBee的無線RFID傳感系統，以幫助科學家更好地了解洞穴和熔巖洞的自然環境和地球氣候的潛在變化。研究人員認為，這項技術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。

洞穴外面的環境因素可以影響地下的狀況。天氣波動引起的空氣壓力的變化可以形成洞穴內的呼吸效應，因為冷暖空氣是循環流通的。科學家們說，根據地下的一些狀況，地球的很多事情已經被人們了解，但是目前那些深邃的或者難以進入的洞穴幾乎沒有得到任何的監測和探索。像這種洞穴的監測儀器需要不能對洞穴環境造成干擾。

研究小組最初考慮在洞穴中使用傳感器進行地上研究，包含了一臺波動傳感器（熱電偶來測量溫度的快速波動）。2009年，這個研究小組（小組由新墨西哥大學電子工程專業副教授AndersJorgensen領導）開始規劃一套在洞穴里使用的系統，其中的傳感器網絡可以跟蹤波動、溫度、氣壓和濕度，然后每隔一段時間向后端系統傳送數據，其中的信息可以被保存并分析。

2009年下半年，研究人員開發了一套采用2.4GHz的RFID傳感器的無線系統來收集有關洞穴狀態的數據。研究小組建立的這套系統包括溫度、氣壓、濕度和波動傳感器，但是氣壓的信息不管用，Jorgensen說，因為測量儀器對于研究小組想要測量的壓力變化不夠敏感。每個傳感器連接到一個板載處理器上，帶有一個飛思卡爾半導體公司的電池供電的ZigBee收發器。

在2009年的部署中，小組里的研究生把6個傳感器放在Junction洞穴墻壁附近的自然平地上，Junction洞穴在新墨西哥的ElMalpais國家紀念碑處（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，因為洞穴的頂部較高。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。

每個傳感器設備（包括ZigBee收發器）大小約為2英寸×3英寸。部署的RFID技術方案中包含了新墨西哥大學購買的飛思卡爾半導體公司的MC1321X評估套件。每一個傳感器形成了一個ZigBee網狀網絡，在網絡中把數據傳送到下一個傳感器，直到傳輸到達中心（Linux系統上運行的一臺小電腦），這個中心位于洞穴內45米處，在傳感器的中央，裝有研究小組研發的RFID軟件用來接收、編譯和管理數據。這些傳感器測量濕度、溫度和波動，并把這些測量信息和傳感器裝置唯一的ID號傳送出去。這個中心的軟件采集數據，編譯測量結果并把這些結果與洞穴里的傳感器和傳感器的位置相連。

經過24小時之后，研究小組收集的數據顯示了洞穴里的前幾百英尺（系統安裝的長度）發生的事情。系統安裝到位的那個晚上外面下起了暴雨，但洞穴的內部是干燥的。數據表明在暴雨期間，洞穴內沒有什么變化，但是那個雨夜在洞穴的頂部附近有較強的空氣波動，這似乎與下雨的時間是一致的。Jorgensen說，一個令人驚訝的結果是人的存在似乎會影響讀數。比如說當洞穴里有研究人員或者來訪者的時候溫度就會上升并加大波動。此類數據對科學家來說很重要，因為洞穴里人的出現可能會影響生態系統。

這項研究進行了24個小時，在研究的基礎上，研究人員發現無線傳感器系統可以可靠地采集和傳送洞穴里的數據。這個小組還討論了建立一套帶有蜂窩式連接的系統，數據可以實時的從中心發送到后端服務器上。

Jorgensen說，在這之后，這個小組開發出一套更小的、更有效的系統，使用德州儀器的eZ430-RF2480入門套件，有可能使基于ZigBee的RFID標簽變得更小。學生們發現，新系統耗電量比以前的系統更少，而每個傳感器節點的成本僅為25美元。節點尚未安裝在任何洞穴，因為這樣的工程將需要再投入一些資金。研究人員發現新型的較小的節點傳輸距離可達150英尺。新系統的運行時間預計超過80天，每分鐘從4個傳感器里采集取樣。省電功能的實現得益于微控制器能夠從傳感器采集并傳輸數據，然后進入睡眠模式，直到下一次采集時再激活。