無線傳感器網絡在環境監測中的運用分析

李 豐，伍彩虹

（1.廣東盈峰科技有限公司，廣東 佛山 528322；2.順德職業技術學院，廣東 佛山 528300）

無線傳感器網絡技術在半導體技術以及傳感器技術不斷發展的推動下，其自身的感知、計算以及存儲通信能力都得到了全面的發展。無線傳感器技術是當前我國傳感器技術領域所研究的主要方向之一，諸多的科研機構以及高等院校都對其開展了不同程度的研究。其在當前的民用以及軍事領域中都有著相對較高的發展空間，已然得到了社會各界人士的廣泛關注，成為當前工業領域以及科研領域的研究熱點。

1 無線傳感器網絡架構分析

無線傳感器網絡的本質就是一種相對較為復雜的互聯系統，無線傳感器網絡會與周圍物理環境互相交互，并對周圍的物理環境所產生的數據進行分析與處理，并通過其自身的存儲通信功能，將在周圍物理環境中所采集的數據信息進行傳輸，以此來有效地完成對當前物理環境的監測。無線傳感器網絡中的傳感器并不是傳統的傳感器，而是將其數據處理分析模板、無線存儲通信模板以及傳感器模板進行整合，并將三者集成在一個物理單元上，以此來提升當前無線傳感器網絡的功能性。無線傳感器的自身結構相對多變，其在不同的物理環境中會使用不同的結構框架。總體而言，無線傳感器網絡可以分為軟件層以及硬件層，其中硬件層主要負責對周圍環境數據的接收、轉換以及對無線電路的有效控制，而軟件層主要負責對路由進行選擇、實現通信協議以及系統能耗管理等［1］。

2 無線傳感器網絡特性分析

在對環境進行監測的過程中，技術人員需要對環境中多種不同的信息進行分析與監測。而由于無線傳感器網絡是多個不同的傳感器所組成的，因此在對周圍環境進行監測的過程中會衍生出多元化的數據信息，這些數據信息就會借助無線網絡來進行傳輸。但是在信息傳輸的過程中，多種數據信息可能會在相同的數據節點進行傳輸，為了切實保證數據在傳輸的過程中不會受到其他數據的干擾，當前的無線傳感器網絡對一些基礎數據進行了篩選，并對一些數據進行融合，從而將已經整合完成的數據進行節點傳輸，以此來提升無線傳感器網絡的數據處理效率與質量。無線傳感器網絡節點具有接收與發射功能，技術人員考量到無線傳感器網絡很有可能會在一些環境相對較為惡劣的區域進行布置，為了防止其不受外部惡劣環境的影響，所以在當前的無線傳感器網絡中增添了多數據發送模式［2］。

3 無線傳感器網絡系統設計

3.1 設計方案分析

在對環境監測系統進行設計與應用的過程中，技術人員需要運用嵌入式技術、遠程基站通信技術以及無線傳感器網絡技術，以此構建完備的環境監測系統。該系統一般可以運用在對森林、農場以及湖泊等地的環境監測中，根據其監測系統的內部結構，可以將其分為三個層次。

前端的數據信息采集。技術人員借助ZigBee技術以及TinyOS2軟件平臺，來實現對射頻數據包的接收，其終端節點會借助無線傳感器對周圍的環境系數進行采集。

網關數據信息的整合及遠程發送。該部分需要借助環境監測系統的網關來完成。網關也就是一個協議的轉換器，主要是對環境中所采集的射頻數據包進行分析，根據TCP協議對其進行重組，并借助遠程數據傳輸技術將其上傳至數據中心。

后臺數據信息處理。環境監測中心在接收TCP數據包后，會根據指定的順序對數據包進行分析，并將已經解析的數據上傳到數據庫之中。

3.2 環境監測節點的設計分析

無線傳感器網絡中的傳感器節點是其網絡的基本單元，其自身運行的穩定性將直接影響整體無線傳感器網絡運行的穩定性。圖1為環境監測節點結構圖。

圖1 環境監測節點結構圖

無線網絡傳感器節點可以對所采集到的數據信息進行壓縮并存儲，同時對其他傳感器節點所傳遞過來的數據信息進行中轉。在實際的環境監測中，技術人員根據監測的基本需求對其內部模塊進行適當的調整。

3.3 環境監測系統硬件平臺分析

在環境監測系統中，sink節點對ZigBee無線傳感器網絡所傳輸的數據信息、協議轉換等監測參數有著極為重要的作用，同時亦可成為獨立的設備對野外環境進行數據信息的采集，其基本機構如圖2所示。

圖2 Sink節點的結構圖

技術人員在對其進行應用時，會涉及兩種協議的轉換，并根據兩種協議來對與之相匹配的模板進行甄選，其相對較為完備的硬件平臺參考示意圖圖3所示［3］。

圖3 sink節點硬件平臺結構示意圖

根據上文所述，技術人員可以甄選嵌入式節點芯片，其不僅具有可視化的圖形界面，而且其接口資源較為豐富。下表為Sink節點硬件參數表，以供參考（表1）。

表1 硬件參數參考表

4 無線傳感器網絡在環境監測中的實際應用分析

4.1 無線傳感器網絡在地質環境監測中的應用

在對當前的地質環境進行監測的過程中，無線傳感器網絡一般會被布置在一些相對較為特殊的地理位置，例如鐵路運輸線附近，其中最為經典的就是在青藏鐵路運輸線上的應用。由于青藏鐵路運輸線的特殊地理位置，其沿線一般多為凍土層，且位于無人區，倘若對此環境進行監測，將會消耗大量的人力物力以及財力，甚至會對地質環境監測人員的人身安全造成嚴重的威脅。因此，技術人員可以充分借助無線傳感器網絡來對其地質環境進行實時監測，利用無線傳感器網絡多跳的模式將監測的數據信息從其節點傳輸至基站，再由基站的匯合節點借助GPRS技術將數據信息傳輸到監控中心，并由監控中心的技術人員對所傳輸的數據信息進行詳實的分析。同時，技術人員還在無線傳感器網絡中增加了地質災害監測模板，可以對當地地質環境中的災害進行有效的監測，在此過程中，無線傳感器網絡會通過GSM網絡信息短信將地質災害的數據信息進行實時發送，例如對滑坡災害信息的傳遞。

4.2 無線傳感器網絡在大氣環境監測中的應用

技術人員可以借助無線傳感器網絡來對大氣環境中的氣體成分進行監測分析，并切實測定出大氣中各類氣體的實際含量。若是在對其監測的過程中監測出大氣污染物質超標，其可以自動進行預警，向有關污染防治部門進行警報傳輸，提醒其對大氣污染物質進行處理。同時無線傳感器網絡在大氣環境監測中，還可以對生活氣體的成分進行監測，以此來協助生活環保部門編制出合理的環保預案。通常情況下，無線傳感器網絡可以不間斷地運行21天至35天左右，其大氣測定數據的傳輸速度約為150 kb/s，大氣環境監測中的無線傳感器網絡節點之間相距約300 m。與以往的有線傳感器網絡相比較，無線傳感器網絡在無線傳輸技術的加持下，最大限度地減少了有線傳感器的布置數量，并對大氣環境進行全面的監測，切實提升大氣環境監測的質量。

例如，美國加州大學的計算機系實驗室曾與大西洋學院對大鴨島的海鳥棲息地的大氣環境進行監測，在對大氣環境監測時所運用的技術就是無線傳感器網絡技術，其中涵蓋了無線網絡鏈接、分層系統架構以及相對隱蔽的設備。借助遠端Mote網絡對海島上的動物棲息地進行監測，其能夠借助環境光線等變化的傳感器節點來構建無線傳感器網絡，以此來對海島上的環境進行監測。對其進行布置的過程中，技術人員一共放置了32個傳感器節點，技術人員借助Micamotes傳感器來對環境數據進行采集。其所設定的數據傳輸策略為在指定的時間內利用傳感器節點將數據傳輸至網關。MAC協議及路由表的設計規劃如下。第一，路由為單跳路由；第二，其需要周期性地向基站報告電壓。

4.3 無線傳感器網絡在工業環境監測中的應用

由于無線傳感器網絡自身的實際適用性，使得其亦可以在相對較為復雜且危險的工業環境中執行監測任務，例如礦井環境、石油開采環境以及核電站環境等。以礦井環境監測為例。隨著人們物質生活水平的不斷提升，其對于煤炭資源的需求量也在不斷變大，使得我國煤礦開采工作得到了全面的發展。但是在煤礦開采過程中，經常發生一些生產安全事故，對我國當前煤炭行業的發展造成了極為嚴重的影響。當前我國煤炭礦井環境相對較為復雜，對礦井環境進行實時監測的難度也相對較大，與以往有線傳感器網絡監測相比，無線傳感器網絡更加容易在復雜的礦井環境中進行部署，由于其自身的能耗相對較小，使得其在礦井環境中的部署成本會相對較低，且數據傳輸速度也要相對較快［4］。

4.4 無線傳感器網絡在環境監測定位與數據采集中的應用分析

數據信息采集以及環境監測定位是當前環境監測工作最為基礎的工作內容。無線傳感器網絡可以根據環境數據信息的采集程度，將數據采集頻次以及指令信息進行控制，并將其內部數據傳輸到環境監測指揮中心。當無線傳感器網絡管理人員對其下達休眠指令時，環境監測設備會對其自身的運行狀態進行調整，并降低自身的能耗［5］。但是無線傳感器網絡需要對數據的傳輸提供通道，使得其能耗會相對較大。因此，技術人員可以在一定程度上對各節點的傳感器進行壓縮，并將其已經處理好的信息數據傳輸到基站。

5 結論

綜上所述，隨著經濟的發展與科技的進步，無線傳感器網絡得到了全面的發展，在當前的環境監測工作中得到了充分的應用。無線傳感器網絡是21世紀重要的技術之一，是可以對人類未來生活產生深遠影響的新興技術。在不遠的未來，無線傳感器網絡勢必會引發一場全新的技術革命。因此，技術人員需要對其進行詳實的研究與分析，并將其運用到不同類型的環境監測工作之中，充分發揮其自身最大的實際應用價值。