初探環境監測中無線傳感器網絡的應用

曹俊慧

【摘? 要】隨著我國經濟的快速發展，科學技術的不斷進步，人們的環境意識不斷增強，使得越來越多的機構將環境監測系統中無線傳感技術的應用作物一項重要的研究內容。通過在環境監測空間內布置一定量的傳感器節點，在無線網絡作業下，實現對感知對象相關采集和傳輸，相對于傳統環境監測措施來說，將無線傳感器網絡應用在環境監測系統中，有效提高系統性能，體現出較強的應用優勢。本文根據環境監測系統自身架構，闡述無線傳感器網絡在典型應用領域的創新構建方案，從而實現環境監測系統的良好發展。

【關鍵詞】環境監測系統;無線傳感器網絡;系統架構

一、無線傳感器網絡對環境監測應用的價值

1.為網絡的組織性提供優質且快捷的網絡活動

網絡的優質性是利用其快捷掌握信息的優勢，對無線傳感進行快速的部署，優化配置資源。

2.信息采集數據利用路由傳輸

利用無線傳感網絡的技術的優勢，在實現零耗損的基礎下，將整體結構提高到一個更高的等級層次。

3.網絡的強有力性、抵御摧毀性特定應用需要

網絡具有強大的感染性，網絡的遍布和迅速發展，使人類在生產生活中，對信息的要求越來越高，近年來國內外的從事相關行業的學者，紛紛對其作出實驗研究，也相應的得到很大的進展。

二、關鍵技術研究

1.能量管理

應用于環境監測的無線傳感器網絡中的節點一般都采用電池供電，要求頻繁更換電池或者頻繁充電是不太現實的，因此在傳感器網絡中，能量消耗是一個需要十分仔細考慮的問題。節點節省能量的最主要方式是休眠機制。當節點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節點轉發傳感數據時，關閉節點的無線通信模塊、數據采集模塊甚至計算模塊以節省能量。這樣，一個傳感任務發生時，只有與之相鄰的區域內的傳感器節點處于活動狀態，從而形成一個活動區域。活動區域隨著數據向網關節點傳送而移動，這樣原先活動的節點在離開活動區域后可以轉到休眠模式從而節省能量。另外，節點間也可以通過“輪換值班”來減少能量消耗。這些節點大部分時間都處于休眠狀態，只是周期性蘇醒過來發送數據或者檢測信道的狀態，以確定是否有屬于自己的消息，但這種機制要求應用設計者在電池消耗和消息延遲之間做出權衡。

2.定位技術

位置信息是傳感器節點采集數據中不可缺少的部分，沒有位置信息的監測消息通常毫無意義。確定事件發生的位置或采集數據的節點位置是傳感器網絡最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息，隨機部署的傳感器節點必須能夠在布置后確定自身位置。根據定位過程中是否實際測量節點間的距離或角度，把傳感器網絡中的定位分類為基于距離的定位和距離無關的定位。其中基于距離的定位分為基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等。距離無關的定位機制主要有質心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法等。由于距離無關定位機制對節點的硬件要求較低，并且受環境因素的影響較小，雖然定位誤差相應有所增加，但定位精度能夠滿足多數傳感器網絡應用的要求，是目前大家重點關注的定位機制。

3.數據融合技術

環境監測應用的最終目標是對監測環境的數據采樣和數據收集。采樣頻率和精度由具體應用確定，并由控制中心向傳感器網絡發出指令。對于傳感器節點來說，需要考慮采樣數據量和能量消耗之間的折中。處于監控區域邊緣的節點由于只需要將收集的數據發送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節點由于同時還需要為邊緣節點路由數據，消耗的能量要多2個數量級左右。因此，邊緣節點必須對采集到的數據進行一定的壓縮和融合處理后再發送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel-Ziv算法對原始數據進行壓縮，使得數據通信量減少了2～4個數量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。

三、無線傳感器網絡在環境監測中的應用

1.礦井環境監測

對于煤礦企業而言，安全探測是十分重要的，特別是在需求量持續增長的前提下，在長期的開發與使用中，煤礦探測的安全問題愈發的引起了人們的重視。在無線傳感器網絡的支持下，可以很好的實現低成本的探測需求，并且可以在一定程度上提高礦井作業的安全屬性。特別是Zig Bee技術的應用與推廣，可以滿足人們對于井下監控、數據分析、安全分析等綜合需求。在近年來，技術人員將Zig Bee技術進行了細化和拓展，可以幫助人們直觀的了解到井下的作業情況，這對于安全、高效作業目標的實現提供了較大的支持。

2.軍事環境監測

無線傳感器網絡具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強和容錯性高的特點，因此非常適合在軍事領域應用，也是軍事指揮、控制、通信、計算、情報、監視、偵察與目標捕獲系統的重要組成部分。利用無線傳感器網絡能夠實現對敵軍兵力和裝備的監控，戰場實時監視，目標定位，戰場評估，核攻擊和生物化學攻擊的監測和搜索等功能，目前國際許多機構的課題都是以戰場需求為背景展開的。信息技術必然是未來戰爭取勝的關鍵，目前已然有許多國家將該技術與軍事研究相結合，幫助己方及時的獲取對方的各項信息，從而及時的進行戰略的調整。

3.自然環境監測

（1）大氣環境監測

將無線傳感網絡用于監測大氣環境，主要需要兩部分的支持，分別是設備和相應的程序支持。設備包括一是傳感器節點，主要是用于大氣技術參數的監測和收集，還有相配套的放大電路;二是Sink節點，用來匯總數據及向基站傳輸數據;三是服務器，這其中需要兩個服務，一個進行數據處理，一個用于數據傳輸。相應程序也就軟件主要是由用于數據收集、處理和傳輸的相關模塊組成，通常有串口通信、數據轉換、數據統計等功能模塊。它的優點是安裝簡單方便、布局靈活、維護容易、成本低。

（2）水環境監測

無線傳感器網絡的水環境監測系統的結構從功能上可以將水環境監測系統分成三級。第一級是以無線傳感器網絡為核心構造的數據采集網絡系統，主要由數據采集節點和協調器節點以及測試儀構成;第二級是Zig Bee/GPRS網關系統，主要負責數據采集網絡中的數據并遠程發送，遠程數據處理中心對數據采集網絡控制命令的發送;第三級是遠程數據處理中心系統，主要負責數據的處理分析和控制命令決策。在整個水環境監測系統中，無線傳感器網絡專注于探測和收集水環境的信息;而復雜的數據處理和存儲等則交給遠程數據處理中心來完成。主要包括以動態曲線的方式實現傳感器信息的在線監測和大量水質數據的存儲。

（3）地質監測

無線傳感器網絡在地質監測方面也有很廣泛的應用。對于部分地質較為特殊的區域而言，有效的地質檢測可以很好的促進該區域基礎設施建設，如凍土環境下的交通設施建設，在人力無法實現的前提下，無線傳感器網絡則可以很好的實現。尤著宏等基于無線傳感器網絡的青藏鐵路溫度監測系統，采用多跳的方式將數據從傳感節點傳輸至轉發基站上的匯聚節點，再由匯聚節點利用 GPRS 網絡發送至監控中心。

結語

無線傳感器網絡的設計雖然發展迅速，但是也存在很多問題，制約無線傳感器網絡設計的因素很多，包括節點功耗、傳輸網絡、工作環境、拓撲結構、成本及容錯等，在研究無線傳感器網絡的基礎上，構建基于傳感器網絡的環境監測系統，其建設成本低、監測精度高、實時性強，推廣使用方便。有助于解決當前環境監測中布線困難、實時性差等問題，有利于環境管理和決策。

參考文獻

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