無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

陳 濤

棗莊市臺兒莊區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本定義

無線傳感其網(wǎng)絡(luò)是在移動、靜止扭矩傳感器在多跳方式作用下所形成的無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的通信渠道為無線網(wǎng)絡(luò)，且傳感器運中可自行采集目標(biāo)信息，并借助無線網(wǎng)絡(luò)通道將所采集的數(shù)據(jù)傳輸給對應(yīng)的管理設(shè)備。設(shè)備在高效率的分析、處理傳感器所采集的數(shù)據(jù)后，可將其應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)分析等工作中。相對于傳統(tǒng)的有線傳感器，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸方法數(shù)據(jù)傳輸更為便捷、網(wǎng)絡(luò)線路與設(shè)備布設(shè)簡單方便，甚至能夠隨意更改數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的分布范圍。因此，通常情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可利用自身所攜帶的傳感器設(shè)備，獲取目標(biāo)信息，同時在終端設(shè)備輔助下分析該信息，將其整理為可利用的有效信息。

2 環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢

環(huán)境檢查是維護生態(tài)系統(tǒng)平衡，改善生態(tài)環(huán)境的重要工作，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測工作中的滲透，是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪裕嵘h(huán)境監(jiān)測中信息利用率，確保環(huán)境監(jiān)測結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。具體來說，環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下內(nèi)容中。

其一，其網(wǎng)絡(luò)自身的組織性可確保網(wǎng)絡(luò)活動運行的快速性、優(yōu)質(zhì)性，使其能夠快速獲取環(huán)境監(jiān)測信息，優(yōu)化環(huán)境監(jiān)測中的數(shù)據(jù)資源配置。其二，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗干擾性、抗摧毀性較強，在互聯(lián)網(wǎng)時代中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，可進一步確保監(jiān)測信息采集完整性、精確性，滿足環(huán)境監(jiān)測工作對信息采集的質(zhì)量要求。其三，信息采集、傳輸過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在設(shè)備零損耗的基礎(chǔ)上，優(yōu)化環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，提升環(huán)境監(jiān)測信息化水平，同時能夠減少環(huán)境監(jiān)測中的設(shè)備損耗，為該項共享供應(yīng)更多可利用的信息。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的環(huán)境監(jiān)測特點

3.1 多數(shù)據(jù)輸送

在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，是為實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)輸送的高效性，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器分布節(jié)點均具有數(shù)據(jù)采集、發(fā)射功能，所以在不同環(huán)境條件下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)射模式為多數(shù)據(jù)輸送，且外界環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的影響較小。環(huán)境監(jiān)測人員可根據(jù)環(huán)境信息處理要求，及時跟蹤、回收網(wǎng)絡(luò)傳感器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其匯總到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。

3.2 設(shè)備功耗低

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在信息采集中，傳感器能量供應(yīng)為微型電池，該電池在設(shè)計期間，通常會提前評估傳感器適用年限，從而有效控制傳感器功耗，延長環(huán)境監(jiān)測中傳感器的使用年限。比如設(shè)計者在開發(fā)無線傳感器設(shè)備時，可通過選擇低能耗元件、自動調(diào)整休眠等方式，減少運行能耗，并根據(jù)環(huán)境監(jiān)測人員基本要求，控制設(shè)備的運行狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)融合性強

環(huán)境監(jiān)測中所包含的信息數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)類型較多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在獲取、采集信息時，因傳感器功能的差異性，該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部存儲中會存在海量數(shù)據(jù)資源。為避免數(shù)據(jù)通信中各類數(shù)據(jù)出現(xiàn)相互干擾問題，無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要利用數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的分布，增強傳感器對數(shù)據(jù)的融合性，靈活篩選基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)，將有價值的監(jiān)測信息傳輸給終端設(shè)備。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用

4.1 大氣環(huán)境監(jiān)測

在監(jiān)測大氣環(huán)境時，相關(guān)人員可通過多功能的無線傳感器檢測大氣中的氣體成分，并在獲取到檢測信息后自動分類氣體信息，測定各氣體成分的實際含量。在此期間，若發(fā)現(xiàn)大氣中污染物質(zhì)成分超出標(biāo)準(zhǔn)后，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可自動生成報警信息，提示相關(guān)部門及時處理污染物質(zhì)超標(biāo)問題。除此之外，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)額環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，同樣可用于生活氣體成分測定，便于環(huán)保單位及時制定環(huán)保方案。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)運行3~5 周，氣體測定數(shù)據(jù)傳輸速度快，約為150kb/s，各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)傳送距離為300m。相較于傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在無線通信技術(shù)的作用下，控制有線設(shè)備數(shù)量，在特定范圍內(nèi)，不知道大量無線傳感器設(shè)備，完整的采集各區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)境信息，提升大氣環(huán)境監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

4.2 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被應(yīng)用在無人區(qū)、礦區(qū)、特殊地理位置中，比如在我國某鐵路周邊的無人區(qū)監(jiān)測中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可避免在大范圍的監(jiān)測區(qū)域浪費人力資源，減少無人區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測對人員帶來的安全隱患，準(zhǔn)確分析土層結(jié)構(gòu)、土壤類型。在獲取當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)信息后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可通過多跳方式，從不同傳感器分布節(jié)點發(fā)送地質(zhì)信息數(shù)據(jù)，而地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測人員可聯(lián)合應(yīng)用GPS 技術(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)測該區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境。

比如相關(guān)人員在應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，以ZigBee 技術(shù)為核心，建立地質(zhì)信息采集、環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括上位機監(jiān)控中心、傳感器無線服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、地質(zhì)信息監(jiān)控顯示系統(tǒng)、監(jiān)測點控制系統(tǒng)等，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助下，系統(tǒng)終端設(shè)備、上位機設(shè)備均為無線設(shè)備。當(dāng)終端設(shè)備獲取到地質(zhì)信息后，繼電器可自動驅(qū)動，并在傳感器運行中，由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)輸送、發(fā)送地質(zhì)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，接收地質(zhì)監(jiān)測中的指令。在該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，上位機的主要功能在于實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信，同時能夠在線、實時顯示地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，若地質(zhì)環(huán)境中土壤、土層分布信息超出預(yù)計范圍，系統(tǒng)可自動發(fā)布警報信息，為地質(zhì)環(huán)境治理方案的制定提供數(shù)據(jù)參考。

4.3 工業(yè)環(huán)境監(jiān)測

在我國環(huán)境監(jiān)測工作中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣可應(yīng)用在較為危險、復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，例如礦區(qū)、核電廠、石油鉆井等區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用，可實時監(jiān)測各區(qū)域工作環(huán)境，加強環(huán)境安全，維護工作人員財產(chǎn)、生命安全。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各監(jiān)測點的靈活布局，可代替人工作業(yè)，減少人工環(huán)境監(jiān)測中的安全風(fēng)險，確保工業(yè)環(huán)境中安全風(fēng)險預(yù)估的準(zhǔn)確性，以及相關(guān)單位對險情的反應(yīng)速度。在此期間，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可憑借自身組網(wǎng)靈活、監(jiān)測設(shè)備部署便捷等特點，應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境監(jiān)測，利用傳感器構(gòu)建倉儲管理的物聯(lián)網(wǎng)，實時交換工業(yè)環(huán)境中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

4.4 自然環(huán)境監(jiān)測

無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測中有著非常廣泛的應(yīng)用范圍，其在自然環(huán)境監(jiān)測中，可在大氣監(jiān)測的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)監(jiān)控洪水、氣象、火災(zāi)等生態(tài)環(huán)境信息。在自然環(huán)境監(jiān)測過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本低、功能類型多、可有效解決操作復(fù)雜的監(jiān)測工作，全面監(jiān)控我國自然環(huán)境。例如在野外區(qū)域布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，傳感器可在環(huán)境監(jiān)測人員的驅(qū)動下，自動感應(yīng)周邊環(huán)境變化，保護自然環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境中水污染、大氣污染問題，并為自然環(huán)境治理工作提供數(shù)據(jù)參考。

再者，河流周邊的無線傳感器，同樣可用于監(jiān)測水位變化，及時預(yù)警洪水、滑坡等自然災(zāi)害，并在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后，及時將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)阶匀画h(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測中心中，提示周邊居民及時做好防護工作，以此減少洪水與滑坡造成的經(jīng)濟、人員損失。除此之外，近年來的森林火災(zāi)事故較多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用時，可將傳感器設(shè)置在森林保護區(qū)域，協(xié)助相關(guān)部門預(yù)防火災(zāi)風(fēng)險，及時上傳火災(zāi)地點、分享火勢信息，有效控制火災(zāi)對環(huán)境造成的損害。

4.5 環(huán)境監(jiān)測定位與信息采集

環(huán)境監(jiān)測中，數(shù)據(jù)源定位、信息采集屬于基礎(chǔ)性的工作。一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在環(huán)境數(shù)據(jù)采集與分析中，根據(jù)傳感器的內(nèi)部給出的指令信息，控制數(shù)據(jù)采集頻次。隨后及時將內(nèi)部數(shù)據(jù)輸送到環(huán)境監(jiān)測中心，并且在管理人員給出休眠指令后，立即調(diào)整運行狀態(tài)，節(jié)約設(shè)備整體能耗。但是對于環(huán)境監(jiān)測中心周邊的傳感器，其需要同時承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸、構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道的責(zé)任，所以設(shè)備能量消耗較大。為此，相關(guān)人員應(yīng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)中，提前使各節(jié)點傳感器壓縮、融合環(huán)境信息，之后再將處理后的數(shù)據(jù)匯總到靠近監(jiān)測中心的傳感器基站內(nèi)。在此期間，Lempel-Ziv在傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮中，可高效的控制數(shù)據(jù)量，為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行打好基礎(chǔ)。

另一方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)源定位是指傳感器在數(shù)據(jù)傳輸中，按照環(huán)境監(jiān)測要求，將特定位置所采集的信息輸送到傳感器控制終端。同時在獲取到異常監(jiān)測信息后，將異常數(shù)據(jù)員采集位置傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測中心，使其在異常事件分析時，及時掌握環(huán)境異常位置，從而到指定位置中，處理環(huán)境污染、水體污染等問題。除此之外，定位異常數(shù)據(jù)位置時，相關(guān)人員需要有效策略各傳感器分布節(jié)點的間距，并根據(jù)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域，對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進行定位。在定位傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的APIT、TOA、AOA、質(zhì)心算法中，TOA、AOA為與距離測量有關(guān)的算法類型，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在不更新網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的前提下，自動運行定位機制，給出詳細(xì)的位置信息，提高環(huán)境監(jiān)測人員的工作效率。

5 結(jié)束語

綜上所述，環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，需要根據(jù)實際環(huán)境監(jiān)測要求，集成應(yīng)用定位、能量管理、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，高效率采集環(huán)境信息，分析環(huán)境中的各項指標(biāo)，從而結(jié)合實際監(jiān)測結(jié)果，制定對應(yīng)的環(huán)境保護、污染處理、地質(zhì)改善措施，維護生態(tài)系統(tǒng)、社會發(fā)展的平衡。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，其應(yīng)用技術(shù)將逐步成熟、監(jiān)測范圍呈現(xiàn)出擴大化趨勢，相關(guān)部門應(yīng)積極挖掘無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用潛能，為我國經(jīng)濟增長提供助力。