無線傳感器網絡在水質監測中的應用

吳守霞 高文琪

（1蘭州工業學院電信學院，甘肅 蘭州 730050；2蘭州工業學院土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

我國水資源的總量是非常豐富的，但是人均水資源與國際的平均水平相差很遠，同時由于工業發展對于水資源的污染越發嚴重，使人們在發展的同時也受到了大自然的懲罰，因此在2011年始，國家已將合理利用水資源制定成一項重要的國策。隨著科學技術的不斷發展，計算機通信和網絡技術的發展，都應用于水質的檢測，特別是近年來無線傳感器網絡已經在水質檢測中組成一套完整的水質檢測系統，實現了水質的自動檢測，雖然初具影響力但是還是要不斷的進行完善研究。

1 無線傳感器網絡的概述

無線傳感器網絡簡稱WSN，它是由空間里離散分布的多個傳感器相互協作而形成的無線網絡系統，這些分布在不同場所的大量傳感器的節點兩兩之間能夠進行通信，如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡示意圖

嚴格來講WSN的聯網廣泛性要比Internet更好，因為后者僅僅是改變了人與人之間的交流方式，而WSN能使人和自然進行溝通和交流，將物理世界和信息世界進行融合，因此所涉及的研究領域也更加廣泛，比如電子信息類、智能決策、知識工程等很多具有融合點的學科。

傳感器網絡開始要追溯到上個世紀的70年代，第一代傳感器網絡是由點對點的傳輸技術將傳感器進行連接；然而經過20年的發展到了90年代，電子信息學科取了巨大的發展和長足的進步，傳感器的連接方式不僅僅是串聯還出現并聯的接口，這種連接方式能夠同時獲取多種信息，然后再進行綜合處理，這便是第二代傳感器網絡；自90年代到進入21世紀初，在現場總線的控制下，將傳感器構成一個局域網絡，這便是第三代傳感器網絡；而第四代傳感器目前已成為全世界的研究熱點，它的主要特點就是在各個傳感器之間利用無線控制技術，構建一個局域網絡。傳感器網絡的四個發展歷程表現出其循序漸進的研究成果，隨著技術的更新，每一次改變均會讓無線傳感器的應用范圍變的更加廣泛。圖2為傳感器網絡的發展歷程。

目前無線傳感網絡的應用領域是進行對水下的特定檢測任務，，其原理是將無線傳感器分布在水下，然后利用水聲的通信方式自行組建一個局域網絡，然后各個節點之間進行協同作用，最終完成檢測任務。主要應用于水質、水文檢測和水下預警等。

圖2 傳感器網絡的發展歷程

2 無線傳感網絡的特點

1）WSN是大規模自組織網絡。無線傳感網絡的節點數目一般比較龐大，因此系統具有非常強的魯棒性能，另外節點數目的緣故其檢測區域的覆蓋面積也會得到擴展。2）WSN是多跳路由的動態性網絡。雖然節點數目比較多，但是能量比較有限，因此通信發射功率會比較小，整個傳感器網絡里節點的單挑通信距離很短，所以只能在臨近的節點之間實現單跳，從而實現通信。傳感網絡中沒有特定的路由設備，而路由功能是通過網絡節點之間的互相協調來完成的，因此可以將每個節點視為路由設備又可以當做端設備。3）WSN是以數據為中心的網絡。傳感器網絡是一個任務型網絡，如果該網絡內部的節點較少，那么每個節點均可能被分配一個整個網絡獨一無二的標識符號；如果節點比較多，那么將不會實現每一個節點均會擁有獨有的標識符號，節點標識需要通信協議的支持。網絡動態變化直接影響全網發生動態節點標，節點的編號和地理位置的關系不大，如果用戶想要了解信息時，所傳輸的數據只是個別節點的數據，而非整個網絡的所有節點，因此該網絡被稱以數據為數據中心的網絡。

3 基于WSN的水質監測方法

3.1 物理光學分析法

物理光學分析法是根據光學性質進行建立的，其原理是光電轉換，然后使用電子器件的相互作用，測定光學的輻射強度，來對物質進行定量和定性分析。其又可細分為光度法和原子吸收法、熒光分析法、發射光譜法等。其中使用最多的是光度法，即在紅外線和紫外線區便可稱之為紅外紫外光度法。物理光學分析的優點是：分析的速度非常快、自動化程度較高、檢測的精準度很高；缺點是檢測儀器的價格較昂貴，因此一般只是作為實驗室的進行滴定實驗的輔助儀器。

3.2 電化學傳感器測量法

該種檢測方法主要是根據電化學性建立起來的，其理論基礎是試樣的電響應或者物質自身的化學體系。傳感器的感知模塊所獲得信號較弱為毫伏級，通過濾波放大之后經A/D轉換，然后傳輸到嵌入式系統進行處理。這種傳感器的分類依據是輸出信號的不同，一般有電導型、電流型、電位型。其優點就是經濟成本相對較低，所以很適合大規模的投入使用，缺點是由于技術的限制，因此檢測的數據準確度會大打折扣。

圖3 基于WSN的水質監測網絡示意圖

無線傳感網絡在進行水質監測時很少有專門的工作人員進行參與，在檢測過程中主要由傳感器節點、遠程數據服務器和無線通信網絡之間進行協調展開工作。因此該系統主要由三部分組成，分別是數據的采集、數據的傳輸以及最后分數據處理，三者的關系圖詳見圖4。

圖4 基于WSN的水質監測系統邏輯示意圖

4 結 語

目前無線傳感器網絡的應用非常廣泛，水質監測只是眾多領域之一，本文通過對無線傳感網絡的概述，詳細講解了無線傳感網絡的基本概念，并將其幾大特點進行展示，從實用的角度出發，介紹了一些無線傳感網絡的技術應用。

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