物聯網技術下無線傳感器網絡在環境監測系統中的運用分析

王美蘊

（鶴壁職業技術學院 電子信息工程學院，河南 鶴壁 458000）

0 引 言

常規環境質量監測主要依托人工監測和定期觀測等方式，這種觀測方式成本高需要投入大量的時間和精力，但是卻無法獲得更高的檢測精度和檢測效率，使得空間分辨率和分辨范圍受限，在短時間內無法發覺環境的異常狀況。我國目前生態環境變得更加復雜，人工監測無法適應新時期的發展要求。而先進的物聯網監測體系可以對環境監測進行實時自動化處理，全面分析生態環境中空氣、土壤以及水源等影響因素，提高環境監測的整體質量。

1 物聯網技術和無線傳感器技術

1.1 物聯網技術

所謂的物聯網技術就是物物連接的物聯網絡，是在互聯網基礎上發展來的包括萬物的連接模式網絡，利用射頻識別系統和紅外感應等設備按照規定的協議將物體和物聯網進行連接，實現信息的快速交換，還能夠對物體實現智能化識別定位跟蹤。物聯網就是傳感器設備與各種物體連接的通道，幫助人們的生產生活與網絡快速結合，為人們營造智能化、網絡化以及高效化的生活場景，提高生產效率[1]。

物聯網系統主要包括應用層、感知層以及網絡層3個部分。感知層由各種傳感器設備共同組成，包括識讀器、終端攝像頭及GPS，能夠感知外界環境，收集各種各樣的信號及物理信息。網絡層則是指物聯網絡通信系統，包括信息處理中心和智能控制中心等，能夠快速及時地處理信息。應用層是指網絡化實際運用方向，在人們生產生活的各個領域發揮著非常關鍵的作用，可以顯著提高行業的網絡化與智能化發展。

1.2 無線網絡傳感器

在監測區域內布設大量的微型傳感器節點，以無線通信的方式實現自組織網絡系統，可以集成化各種微型傳感器，實現信息的實時接收和傳遞。無線通信對各種數據信息進行發送，傳感器所獲取的信息也能夠實現集成化、微型化以及網絡化發展，如圖1所示。無線傳感器網絡融入嵌入式計術、傳感器技術、無線通信技術以及現代網絡技術等，能夠增強整個設備感知能力是物聯網領域發展的重要前景[2]。

圖1 無線網絡傳感器

無線網絡傳感器具有可自組織和隱蔽性強的特點，在環境監測中應當根據環境的實際特點對空間進行全方位監測，進行目標定位和環境質量評估，滿足各種功能的需求，提高無線網絡傳感器的感知能力。無線網絡傳感器具有網絡優質性的特點，可以快速掌握信息數據，在短時間內部署無線傳感器，增強資源的合理配置與優化。此外，無線傳感器網絡還有較強的抗破壞能力和抗干擾能力，可以在各種不同的環境下正常工作。隨著人們的生產生活水平不斷提高，對于信息技術的需求也在不斷增強。無線傳感網絡可以確保信息數據采集，實現零損耗的特點，將整個系統提升到更高的層次。在環境監測中應用無線傳感網絡非常關鍵，可以起到良好的效果，對于技術探索也能夠提供保障[3]。

2 物聯網技術下無線傳感網絡環境監測系統的開發關鍵技術

2.1 物聯網數據傳輸可靠性技術

物聯網絡中網絡節點能夠確保對外界環境進行全面監測，提高數據傳輸的整體質量。在環境監測中需要提高數據傳輸的安全性與穩定性，結合物聯網的實際特點，優化設計鏈路層數據傳輸，增強數據的安全性，還可以建立物聯網系統數據傳輸的可靠性分析方法，采取相應的管理措施，保證物聯網數據傳輸的整體效果。

2.2 物聯網中間件技術

物聯網所需要監測的環境規模不斷擴大，其系統越來越復雜，使得物聯網系統的軟件和硬件設計開發受到嚴重影響。要想實時監測環境數據，確保數據信息的傳輸應用，可以利用無線傳感器網絡全面分析環境中的大氣和湖泊水源等，結合具體的設計程序，避免出現研發資源浪費的情況，還能夠用于網絡異構、系統兼容、減少系統設計的復雜性、增強系統和軟件應用的整體質量以及減少資源浪費等[4]。

2.3 物聯網可重構節點技術

物聯網需要具備智能化和協同化的性能，可以根據任務的大小和優先級別自動化調配各種資源，實現物聯網的自動化運行。在物聯網技術研究中需要自制感知能力，優化分布式處理和信息傳輸功能，將整個系統劃分為多個非重疊模式和共享硬件，避免因為模塊重疊導致系統資源出現浪費的情況。

2.4 物聯網遠程無線軟件的升級與開發

在物聯網環境監測的背景下，節點系統和軟件系統受損以后需要自我修復功能，實現物聯網軟件的優化。對自然環境進行全面監測，利用無線傳感器網絡可以實現數據可靠性多跳傳輸，確保在各種惡劣的環境下依然能夠實現軟件的更新。

3 物聯網技術下無線傳感器網絡系統開發步驟

3.1 系統架構的整體設計

在物聯網技術條件下需要分析生態環境的應用特征，滿足系統架構的整體需求，提高服務監測的整體質量。自組織功能的無線傳感器節點利用無線傳輸的形式進行連接，能夠對地面、地下以及空中環境進行立體化的全面監測，形成3D物聯網環境監測系統，如圖2所示。

圖2 環境監測系統

3.2 核心單元設計

物聯網核心節點設計需要利用控制和信息處理單元、存儲單元以及通信單元共同組成，利用分布式電源提供保障。構建適用于不同村鎮生態環境的監測體系，結合物聯網節點技術和生態環境感知數據進行分析，研發出滿足氣體、水體以及土體等多環境參數監測的傳感器模塊[5]。

3.3 系統傳輸過程設計

為了提高物聯網數據信息傳輸的安全性和可靠性，需要有效控制整個數據傳輸的節點，設計差錯恢復擁塞控制和流量控制等具體方法，建立傳感器模型，全面優化區域傳感器節點部署和覆蓋范圍，采取相應的管理措施，保證信息傳輸的質量。

4 物聯網技術下無線傳感器網絡在環境監測中的具體應用

4.1 無線傳感器技術在大氣監測中的應用

物聯網技術能夠在自然環境中自動分析有毒有害物質的濃度、排放量以及排放速度，還能夠將數據信息實時傳輸給環境監測管理部門，制定科學合理的污染管理策略，確?？焖偌皶r地處理污染問題[6]。無線傳感器網絡在環境監測中應用非常廣泛，大氣監測主要以在線監測或流動監測為主，在線監測能夠實現同步監測和監測預報。全面分析未來的大氣環境狀況，固定監測能夠在污染源的排放處安裝固定的監測設備，形成分布式網絡，對特定的污染物進行全面控制。利用各種無線傳感器網絡設備，可以對大氣環境中的二氧化硫和氮氧化合物可吸入顆粒等數據進行全方位收集，利用網絡實時數據傳輸至監控中心，對環境質量進行自動化分析，明確環境數據處理的整體效果。

4.2 無線傳感器技術在水質監測中的應用

水質監測可以在監測點布置傳感器和視頻監視等傳感設備，形成感知層，將所收集到的數據信息利用網絡層傳輸至應用層，根據應用層傳感器所在的位置對所有污染信息進行自動化記錄，也能夠實現綜合分析。確保全面管理水質水污染源，構建三層網絡傳輸結構監測體系，在原有的無線網絡傳輸中進行模型改進，保證數據信息傳輸的連續性。無線傳感器網絡應用在大氣環境監測中，基于無線傳感器網絡的大氣環境監測系統是無線傳感器網絡在環境監測行業的詳細應用[7]。

4.3 無線傳感器技術在生態監測中的應用

生態監測可以分為不同的若干分簇，每一個分簇都可以對噪聲、溫度以及濕度等不同類型的傳感器進行優化采集，所收集到的各種數據信息也能夠實現自動監控，確保環境監測的質量更加可靠，還能夠選擇最優的傳輸路徑，有效降低網絡環境的整體損耗[8]。

目前，環境監測系統存在很多缺點，包括系統相對較大、安裝困難、監測終端太依賴通信基礎設施以及監測終端和主控終端使用有線通信需要布線等。無線傳感器網絡可用于即時監測大氣狀況，使用多種傳感器探頭監測大氣中相關氣體的含量。根據各數據節點收集的風向和氣體濃度等多種參數，可以監測毒性氣體泄漏。

設計了基于無線傳感器網絡的多溫室環境監測系統結構，并提出了單個溫室環境監測軟件及硬件對策和方法。無線傳感器網絡在水環境監測中的應用有較多優點。與傳感器、計算單元以及通信模塊集成的節點可以通過自身組織形成網絡，利用節點內部的各種傳感器監測周圍環境的水下熱、紅外以及有毒物質等多種信號，部署方便，不需要支持電纜和其他設施。傳感器節點的價格不高，可以合理地放置在廣闊的水域，通過節點收集信息的空間相關性，可以獲得更準確的環境信息。一般來說，無線傳感器網絡廣泛用于地質監測。青藏鐵路550 km的凍土面隨著氣溫的變化容易引起地質問題，對鐵路交通安全產生不利影響。相關學者利用多跳方式，研究開發了青藏鐵路用無線傳感器網絡溫度監測系統，該系統將數據從傳感器節點傳輸到轉發基站的同步節點，然后同步節點利用GPRS網絡傳輸到監測中心。此外利用GSM網絡短消息功能設計了包括光纖推力監測設備和含水率監測設備等在內的無線傳感器網絡地質災害監測設備，將數據傳輸到監測中心，及時預測泥石流等。

4.4 無線傳感器技術在海洋監測中的應用

海洋監測利用無線傳感器網絡能夠自動化監測營養鹽、重金屬污染物、化學耗氧量以及有機磷農藥等多種參數信息。對所有收集到的數據信息經無線發射裝置進行數據采集，實現數據快速收集，構建一種完善的物聯網海洋環境，智能發展系統，不同的節點都可以采取不同的連接方式，滿足不同的監測點需求。

4.5 無線傳感器技術在重金屬等污染物質監測中的應用

重金屬具有非常強的毒性，很容易在人體內富集，對人的生命健康造成影響，而且重金屬污染非常持久，不容易被清除，因此需要對其進行實時監測。物聯網技術的環境監測系統中，以遠程通信、數據檢測、系統控制模塊及綜合管理終端系統為主要組成部分。遠程通信模塊以GSM/GPRS和以太網為輔助來傳輸數據，數據檢測模塊能夠實時檢測農田土壤濕度和環境溫度等數據，系統控制模塊可分析計算數據，依據結果做出綜合決策，通過物聯網向管理終端傳輸，管理終端可接收與查看數據，發送決策命令[9]。通信以串口通信為主，可進入接收數據中斷服務程序，滿足數據接收需求，也可進入發送中斷服務程序，以滿足數據發送需求。此外，現場環境監測系統可通過水泵接收灌溉命令及GPIO端口控制來實現[10]。

5 結 論

隨著無線傳感器網絡技術的不斷發展，在物聯網系統中發揮了非常重要的作用，但也出現各種各樣的問題，從而影響無線傳感器網絡設計。要積極采取相應的技術措施，確保無線傳感器網絡監測系統設計得到有效優化，提高對空氣、水以及土壤健康程度的監測水平，及時發現環境污染的問題，并為相關部門提供準確的參考數據，為環境治理提供重要的參考依據。此外要積極探究物聯網技術的主要優勢，充分發揮物聯網技術下無線傳感網絡的作用，提高環境監測系統的整體水平。