無線傳感器網絡在環境監測系統中的研究與應用

蔣丹 董欣

摘要：環境監測系統在多個領域已有重要應用，為了充分發揮該系統的應用價值，應加強對無線傳感器網絡在系統中應用的研究。本文主要圍繞系統分析、系統應用特點及其架構、關鍵技術的研究三個方面展開討論，詳細分析了無線傳感器在環境監測上的應用優勢.根據環境監測系統自身架構，闡述了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

中圖分類號：X84 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）03-0166-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.097

Abstract： Environmental monitoring system has important applications in many fields. In order to give full play to the application value of the system， the research on the application of wireless sensor network in the system should be strengthened. This paper mainly discusses the application of wireless sensor in environmental monitoring based on the three aspects of system analysis， system application characteristics， architecture and key technologies. Based on the architecture of the environment monitoring system， the paper expounds that wireless sensor network Typical application areas of innovative construction programs， so as to achieve the good development of environmental monitoring system.

Keywords： Environmental monitoring system； Wireless sensor network； System architecture

隨著科學技術的快速發展以及人們環境保護意識的增強，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為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，可在無線網絡作用下，實現對感知對象相關信息的采集和傳輸，相對于傳統環境監測措施來講，將無線傳感器網絡應用在環境監測系統中，可有效提高系統性能，體現出較強的應用優勢。

1 系統分析

將無線傳感器網絡應用在環境監測系統中，能起到提高系統性能的作用。環境監測系統內利用的傳感器網絡是一種層次型的網絡結構，在其底層布置了多個傳感器節點。在節點的作用下，可將對象相關信息傳輸至終端設備上，進而對環境情況有一定掌握。傳感器節點主要由處理器模塊、能量供應單元等組成，為了保證數據獲取的準確性，一般要求傳感器節點布置保持較大密度，進而形成傳感器網絡。傳感器節點主要起到傳輸數據的作用，逐步將對象信息傳送至基站上。傳輸網絡作為負責協調不同傳感器節點和綜合節點信息的網絡系統，在環境監測上具有較好的應用效果。

2 系統應用特點及其架構

2.1 系統特點

在對傳感器網絡應用在環境監測系統上的特點進行分析時，可發現主要體現在以下方面：第一，適用于環境惡劣或者遠距離情況下相關信息的收集和傳輸，保證監測系統數據提供的準確性；第二，考慮到生物群種對外來因素較為敏感，直接進行生態環境的監測可能對環境完整性造成破壞，不能保證對生態環境信息的有效掌握，這時可應用傳感器網絡來進行環境監測；第三，當需要進行大范圍的信息監測時，對網絡覆蓋率要求較高，這時應采用無線傳感器技術來進行環境監測及控制；第四，傳感器網絡有著數據儲存和整合能力，可將大量數據存儲到數據庫中，并且具有數據分析功能。

2.2 系統架構

（1）礦井安全監控。無線傳感器網絡可應用在礦井的環境監測中，傳感器節點可進行相關數據的采集，包括瓦斯、氣壓、風速和CO等，之后將數據由井下基站以及地面控制終端傳送至監控中心[1]。相關工作人員能及時根據監測數據對礦井情況有一定掌握，進而保證指揮調度和安全監測等工作的順利進行，在安全事故預防上有重要作用。（2）生態環境監測。除了在礦井環境監測上有一定應用價值外，無線傳感器網絡還可應用到生態環境的監測上，并已經取得較好的應用效果。例如，美國加州大學便針對生態環境監測展開了相關試驗，該研究組在進行生態環境監測的島嶼上布置了多個傳感器節點，由此組成傳感器網絡，同時在節點上布置了不同類型的傳感器，以便對海島上多種類型的生態環境數據進行監測。如使用數字溫度傳感器、光敏傳感器等，可對海燕巢穴的環境情況有所了解，而應用能耗較低的紅外傳感器來監測巢穴使用狀況，能幫助相關人員充分掌握生態環境信息。（3）智能家居。在對無線傳感技術的應用進行分析時，發現其在家居環境監測中同樣體現出一定的應用價值。通過在家電或者家具上布置傳感器節點，之后將無線網絡與控制終端結合起來，這時用戶可在遠程監控系統的作用下，實現對家電的遠程控制，使得家電控制不會受到時間和空間的限制。例如，用戶可根據自身生活習慣，控制家電的運行時間，能減少用戶的等待時間，進而為其提供較為舒適的家居環境，可實現人們生活質量的提高。

3 關鍵技術的研究

3.1 能量管理

使用在環境監測上的傳感器節點通常采用電池供電，為了避免電池的頻繁更換，有必要加強對能量管理的重視。節約能量的基礎措施為設置休眠機制，當傳感器節點不進行信息傳輸時，應關閉節點對應的通信模塊以及數據收集模塊來節省能量。這時當傳感任務產生時，其相鄰區域的節點將處于活動狀態，并組成一個節點活動區域。活動區域會隨著數據的傳輸途徑而發生變化，這種情況下原本處于活動狀態的節點在任務結束后將再次傳變為休眠模式。另外，不同節點間可通過輪流作業來降低能量損耗。這些傳感器節點大多數時間將處于休眠狀態，將發生周期性活動來發送數據或者監測信道狀態，進而判斷有無需要其傳送的數據信息[2]。

3.2 定位技術

定位技術是指傳感器節點將對象位置信息傳送至控制端。位置信息作為節點收集數據中的重要組成部分，在環境監測上有重要意義。明確事件發生位置以及獲取數據節點位置是無線傳感器網絡具備的基礎功能之一。為了提供準確、有效的位置信息，布置在對象附近的傳感器節點應能確定自身位置，并根據自身位置來判斷對象的位置信息。在定位過程中可能需要測量不同節點間角度或距離，根據實際情況，將傳感器網絡定位分為與距離無關定位或者在距離基礎上進行的定位操作。與距離有關的位置確定包括基于AOA定位、基于TOA定位等，而與距離無關定位有質心算法和APIT等。由于不受距離影響的定位機制對傳感器網絡的硬件要求不高，不易受環境因素的影響，是一種應用較為廣泛的定位機制。

3.3 數據融合技術分析

進行環境監測的最終目的在于對環境數據收集和分析。在數據采樣過程中，采樣頻率及精度應根據具體情況來確定，之后由基站向傳感器節點發布指令。對于傳感器節點來講，應盡可能保證數據收集量和能量消耗間維持平衡。應用在監控區域范圍內的節點只需要將數據輸送至控制中心即可，能量損耗相對較少；而與控制中心距離較近的傳感器節點在傳輸數據的同時，還需要為其他節點提供數據傳輸途徑，能量消耗較大。針對這一問題，要求其余節點應在對收集的數據進行壓縮及融合后再傳輸至基站。例如，通過利用Lempel- Ziv算法對網絡中數據進行壓縮后，能明顯減少數據的數量級，進而促使環境監測系統的高效運行。

4 結論

綜上所述，環境監測屬于傳感器網絡應用的一種，在實際應用中包括遠程控制、節點布置以及通信傳輸等關鍵技術。由于傳感器技術具有一定的應用相關性，需要結合實際應用情況來應用相關技術，從而保證良好應用效果的實現。同時在無線傳感器技術逐漸發展成熟的背景下，將其應用在軍用傳感網絡中可對戰場態勢進行監控，還可應用在大型商場等場所，以便提高其安全性，為人們生活帶來一定便利。

參考文獻

[1]趙海濤.無線傳感器網絡在環境監測系統中的主要應用[J].黑龍江科技信息，2015（26）：15.

[2]鄭龍，金光，鈕俊.無線傳感器信息融合在環境監測系統中的應用[J].無線通信技術，2015，24（02）：29-33.

[3]張洋. 無線傳感器網絡在文物保護環境監測系統中的研究[D].濟南：山東建筑大學，2013.

[4]王海芹，高世楫.生態環境監測網絡建設的總體框架及其取向[J].改革，2017，（05）：15-34.

收稿日期：2018-01-10

作者簡介：蔣丹（1981-），女，本科，工程師，研究方向為環保。