無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的運(yùn)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(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528300）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在半導(dǎo)體技術(shù)以及傳感器技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下，其自身的感知、計(jì)算以及存儲(chǔ)通信能力都得到了全面的發(fā)展。無(wú)線傳感器技術(shù)是當(dāng)前我國(guó)傳感器技術(shù)領(lǐng)域所研究的主要方向之一，諸多的科研機(jī)構(gòu)以及高等院校都對(duì)其開(kāi)展了不同程度的研究。其在當(dāng)前的民用以及軍事領(lǐng)域中都有著相對(duì)較高的發(fā)展空間，已然得到了社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域以及科研領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)就是一種相對(duì)較為復(fù)雜的互聯(lián)系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)與周圍物理環(huán)境互相交互，并對(duì)周圍的物理環(huán)境所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，并通過(guò)其自身的存儲(chǔ)通信功能，將在周圍物理環(huán)境中所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，以此來(lái)有效地完成對(duì)當(dāng)前物理環(huán)境的監(jiān)測(cè)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器并不是傳統(tǒng)的傳感器，而是將其數(shù)據(jù)處理分析模板、無(wú)線存儲(chǔ)通信模板以及傳感器模板進(jìn)行整合，并將三者集成在一個(gè)物理單元上，以此來(lái)提升當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能性。無(wú)線傳感器的自身結(jié)構(gòu)相對(duì)多變，其在不同的物理環(huán)境中會(huì)使用不同的結(jié)構(gòu)框架。總體而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分為軟件層以及硬件層，其中硬件層主要負(fù)責(zé)對(duì)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換以及對(duì)無(wú)線電路的有效控制，而軟件層主要負(fù)責(zé)對(duì)路由進(jìn)行選擇、實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議以及系統(tǒng)能耗管理等［1］。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性分析

在對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，技術(shù)人員需要對(duì)環(huán)境中多種不同的信息進(jìn)行分析與監(jiān)測(cè)。而由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是多個(gè)不同的傳感器所組成的，因此在對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中會(huì)衍生出多元化的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息就會(huì)借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行傳輸。但是在信息傳輸?shù)倪^(guò)程中，多種數(shù)據(jù)信息可能會(huì)在相同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，為了切實(shí)保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^(guò)程中不會(huì)受到其他數(shù)據(jù)的干擾，當(dāng)前的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，并對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而將已經(jīng)整合完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)傳輸，以此來(lái)提升無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理效率與質(zhì)量。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有接收與發(fā)射功能，技術(shù)人員考量到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)很有可能會(huì)在一些環(huán)境相對(duì)較為惡劣的區(qū)域進(jìn)行布置，為了防止其不受外部惡劣環(huán)境的影響，所以在當(dāng)前的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中增添了多數(shù)據(jù)發(fā)送模式［2］。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案分析

在對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用的過(guò)程中，技術(shù)人員需要運(yùn)用嵌入式技術(shù)、遠(yuǎn)程基站通信技術(shù)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此構(gòu)建完備的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般可以運(yùn)用在對(duì)森林、農(nóng)場(chǎng)以及湖泊等地的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，根據(jù)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以將其分為三個(gè)層次。

前端的數(shù)據(jù)信息采集。技術(shù)人員借助ZigBee技術(shù)以及TinyOS2軟件平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻數(shù)據(jù)包的接收，其終端節(jié)點(diǎn)會(huì)借助無(wú)線傳感器對(duì)周圍的環(huán)境系數(shù)進(jìn)行采集。

網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)信息的整合及遠(yuǎn)程發(fā)送。該部分需要借助環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)來(lái)完成。網(wǎng)關(guān)也就是一個(gè)協(xié)議的轉(zhuǎn)換器，主要是對(duì)環(huán)境中所采集的射頻數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，根據(jù)TCP協(xié)議對(duì)其進(jìn)行重組，并借助遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將其上傳至數(shù)據(jù)中心。

后臺(tái)數(shù)據(jù)信息處理。環(huán)境監(jiān)測(cè)中心在接收TCP數(shù)據(jù)包后，會(huì)根據(jù)指定的順序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行分析，并將已經(jīng)解析的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)之中。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是其網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其自身運(yùn)行的穩(wěn)定性將直接影響整體無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性。圖1為環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)可以對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行壓縮并存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)其他傳感器節(jié)點(diǎn)所傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行中轉(zhuǎn)。在實(shí)際的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，技術(shù)人員根據(jù)監(jiān)測(cè)的基本需求對(duì)其內(nèi)部模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)分析

在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，sink節(jié)點(diǎn)對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息、協(xié)議轉(zhuǎn)換等監(jiān)測(cè)參數(shù)有著極為重要的作用，同時(shí)亦可成為獨(dú)立的設(shè)備對(duì)野外環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，其基本機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Sink節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

技術(shù)人員在對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，會(huì)涉及兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)兩種協(xié)議來(lái)對(duì)與之相匹配的模板進(jìn)行甄選，其相對(duì)較為完備的硬件平臺(tái)參考示意圖圖3所示［3］。

圖3 sink節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上文所述，技術(shù)人員可以甄選嵌入式節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)硬件參數(shù)表，以供參考（表1）。

表1 硬件參數(shù)參考表

4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用分析

4.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在對(duì)當(dāng)前的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)被布置在一些相對(duì)較為特殊的地理位置，例如鐵路運(yùn)輸線附近，其中最為經(jīng)典的就是在青藏鐵路運(yùn)輸線上的應(yīng)用。由于青藏鐵路運(yùn)輸線的特殊地理位置，其沿線一般多為凍土層，且位于無(wú)人區(qū)，倘若對(duì)此環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將會(huì)消耗大量的人力物力以及財(cái)力，甚至?xí)?duì)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員的人身安全造成嚴(yán)重的威脅。因此，技術(shù)人員可以充分借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)其地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳的模式將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息從其節(jié)點(diǎn)傳輸至基站，再由基站的匯合節(jié)點(diǎn)借助GPRS技術(shù)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并由監(jiān)控中心的技術(shù)人員對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行詳實(shí)的分析。同時(shí)，技術(shù)人員還在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中增加了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)模板，可以對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境中的災(zāi)害進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，在此過(guò)程中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)會(huì)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)信息短信將地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送，例如對(duì)滑坡災(zāi)害信息的傳遞。

4.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

技術(shù)人員可以借助無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)大氣環(huán)境中的氣體成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并切實(shí)測(cè)定出大氣中各類氣體的實(shí)際含量。若是在對(duì)其監(jiān)測(cè)的過(guò)程中監(jiān)測(cè)出大氣污染物質(zhì)超標(biāo)，其可以自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，向有關(guān)污染防治部門進(jìn)行警報(bào)傳輸，提醒其對(duì)大氣污染物質(zhì)進(jìn)行處理。同時(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中，還可以對(duì)生活氣體的成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此來(lái)協(xié)助生活環(huán)保部門編制出合理的環(huán)保預(yù)案。通常情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以不間斷地運(yùn)行21天至35天左右，其大氣測(cè)定數(shù)據(jù)的傳輸速度約為150 kb/s，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間相距約300 m。與以往的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比較，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線傳輸技術(shù)的加持下，最大限度地減少了有線傳感器的布置數(shù)量，并對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，切實(shí)提升大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的質(zhì)量。

例如，美國(guó)加州大學(xué)的計(jì)算機(jī)系實(shí)驗(yàn)室曾與大西洋學(xué)院對(duì)大鴨島的海鳥(niǎo)棲息地的大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)所運(yùn)用的技術(shù)就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其中涵蓋了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈接、分層系統(tǒng)架構(gòu)以及相對(duì)隱蔽的設(shè)備。借助遠(yuǎn)端Mote網(wǎng)絡(luò)對(duì)海島上的動(dòng)物棲息地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其能夠借助環(huán)境光線等變化的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以此來(lái)對(duì)海島上的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)其進(jìn)行布置的過(guò)程中，技術(shù)人員一共放置了32個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，技術(shù)人員借助Micamotes傳感器來(lái)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。其所設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸策略為在指定的時(shí)間內(nèi)利用傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)。MAC協(xié)議及路由表的設(shè)計(jì)規(guī)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(bào)告電壓。

4.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的實(shí)際適用性，使得其亦可以在相對(duì)較為復(fù)雜且危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境中執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，例如礦井環(huán)境、石油開(kāi)采環(huán)境以及核電站環(huán)境等。以礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)為例。隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提升，其對(duì)于煤炭資源的需求量也在不斷變大，使得我國(guó)煤礦開(kāi)采工作得到了全面的發(fā)展。但是在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生一些生產(chǎn)安全事故，對(duì)我國(guó)當(dāng)前煤炭行業(yè)的發(fā)展造成了極為嚴(yán)重的影響。當(dāng)前我國(guó)煤炭礦井環(huán)境相對(duì)較為復(fù)雜，對(duì)礦井環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的難度也相對(duì)較大，與以往有線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加容易在復(fù)雜的礦井環(huán)境中進(jìn)行部署，由于其自身的能耗相對(duì)較小，使得其在礦井環(huán)境中的部署成本會(huì)相對(duì)較低，且數(shù)據(jù)傳輸速度也要相對(duì)較快［4］。

4.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)定位與數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用分析

數(shù)據(jù)信息采集以及環(huán)境監(jiān)測(cè)定位是當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)工作最為基礎(chǔ)的工作內(nèi)容。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集程度，將數(shù)據(jù)采集頻次以及指令信息進(jìn)行控制，并將其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測(cè)指揮中心。當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理人員對(duì)其下達(dá)休眠指令時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備會(huì)對(duì)其自身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并降低自身的能耗［5］。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸提供通道，使得其能耗會(huì)相對(duì)較大。因此，技術(shù)人員可以在一定程度上對(duì)各節(jié)點(diǎn)的傳感器進(jìn)行壓縮，并將其已經(jīng)處理好的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)交尽?/p>

5 結(jié)論

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了全面的發(fā)展，在當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中得到了充分的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)重要的技術(shù)之一，是可以對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的新興技術(shù)。在不遠(yuǎn)的未來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)勢(shì)必會(huì)引發(fā)一場(chǎng)全新的技術(shù)革命。因此，技術(shù)人員需要對(duì)其進(jìn)行詳實(shí)的研究與分析，并將其運(yùn)用到不同類型的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作之中，充分發(fā)揮其自身最大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。