基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

＊曹桂榮 任英浩

（1.山東省東營(yíng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 山東 257091 2.東營(yíng)市危險(xiǎn)廢物與輻射安全管理中心 山東 257091）

引言

在過(guò)去幾十年的發(fā)展中，我國(guó)在加快社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)，促進(jìn)各行企業(yè)發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)生了一系列環(huán)境污染，資源浪費(fèi)問(wèn)題。現(xiàn)階段，為了我國(guó)進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)的過(guò)程中，越來(lái)越重視環(huán)境問(wèn)題以及資源問(wèn)題，基于當(dāng)前以環(huán)境保護(hù)與綠色生產(chǎn)為導(dǎo)向的發(fā)展戰(zhàn)略中，大力推進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是非常有價(jià)值的。而現(xiàn)階段，在開(kāi)展環(huán)境治理與環(huán)境保護(hù)等相關(guān)工作的過(guò)程中，越來(lái)越追求信息化與效率化。

1.研究的背景及意義

環(huán)境監(jiān)測(cè)一直是開(kāi)展環(huán)境治理以及推進(jìn)后續(xù)環(huán)境保護(hù)措施的基礎(chǔ)。通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)，我們可以根據(jù)各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，系統(tǒng)性地評(píng)判一個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量。在現(xiàn)代的環(huán)境監(jiān)測(cè)中，所涉及到的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是豐富而多樣的，包括水環(huán)境的水溫，pH，懸浮物，硬度，COD，BOD，各類重金屬離子的濃度等。基于不同環(huán)境類型，進(jìn)行環(huán)境評(píng)判的過(guò)程中所需要采取的環(huán)境模型也有所差異，因此為了有效地控制一個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量，針對(duì)性地采取優(yōu)化與治理措施，就需要通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行大量的環(huán)境指標(biāo)采集。包括水環(huán)境，土壤條件，生態(tài)環(huán)境等多項(xiàng)內(nèi)容。借助信息化的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅能保障監(jiān)測(cè)指標(biāo)的精確性，同時(shí)能夠極大地提升環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率，從而為后續(xù)的環(huán)境評(píng)估打下基礎(chǔ)。以大量精確的各類實(shí)時(shí)環(huán)境指標(biāo)為基礎(chǔ)，就可以借助現(xiàn)代環(huán)境治理的相關(guān)知識(shí)，針對(duì)不同的環(huán)境類型，構(gòu)建相應(yīng)的環(huán)境模型，從而推測(cè)污染物的來(lái)源及數(shù)量，從而進(jìn)一步進(jìn)行科學(xué)的定量計(jì)算，以便于后續(xù)環(huán)境治理工作的開(kāi)展。

當(dāng)前生態(tài)治理與環(huán)境保護(hù)越發(fā)講究學(xué)科的交叉與結(jié)合，在現(xiàn)代的環(huán)境評(píng)估過(guò)程中大量地加入了信息化技術(shù)，以簡(jiǎn)化計(jì)算，從而有效地利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的發(fā)展方向逐步從過(guò)去的人為制定的環(huán)境治理模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐原h(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，環(huán)境治理知識(shí)為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)化與科學(xué)化環(huán)境治理。而推動(dòng)信息化環(huán)境治理的關(guān)鍵內(nèi)容就是推進(jìn)信息技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。因此，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅是通信技術(shù)與環(huán)境治理工作結(jié)合的出發(fā)點(diǎn)，也是構(gòu)筑數(shù)據(jù)化環(huán)境治理模式的關(guān)鍵。可以說(shuō)，現(xiàn)階段基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用廣度，直接決定著后續(xù)環(huán)境治理技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)境治理技術(shù)的提升。而對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重，環(huán)境類型復(fù)雜，環(huán)境治理難度極高的特點(diǎn)下，加強(qiáng)對(duì)應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用，是后續(xù)環(huán)境治理技術(shù)提升，以及環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略落實(shí)的關(guān)鍵。

2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基于各國(guó)的發(fā)展歷程來(lái)看，由于國(guó)外率先開(kāi)展工業(yè)革命，在早期的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛存在著先污染后治理的過(guò)程，因此基于這一背景，國(guó)外對(duì)應(yīng)環(huán)境污染，生態(tài)破壞等問(wèn)題的意識(shí)較強(qiáng)，并且在多年來(lái)的發(fā)展過(guò)程中其相應(yīng)的環(huán)境治理技術(shù)也較為先進(jìn)。早在20世紀(jì)中期，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，就率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)于湖泊，河道等地表水環(huán)境的自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)。隨后，美國(guó)，日本及歐洲各國(guó)，也先后開(kāi)展了信息化水質(zhì)檢測(cè)的研究。步入21世紀(jì)后，隨著無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)的提升，環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能化程度不斷提高，國(guó)外的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)日益成熟，并在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了一系列成就。例如，全國(guó)海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GOOS，可以對(duì)較大范圍的水域進(jìn)行不同深度的監(jiān)測(cè)。澳大利亞的LakeNet系統(tǒng)，以及2006年建成的英國(guó)特倫特河預(yù)警系統(tǒng)等。這些環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，正是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用成果，并在后續(xù)的環(huán)境治理工作中發(fā)揮了重要作用。

我國(guó)對(duì)應(yīng)基于傳感器技術(shù)，通信技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的研究始于20世紀(jì)八十年代，相較于國(guó)外環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展較為落后。在1988年，天津從瑞士BBC河英國(guó)Kent公司引進(jìn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在早期階段的主要特點(diǎn)為，研究技術(shù)落后，采用設(shè)備多為進(jìn)口，自主研發(fā)能力不足等特點(diǎn)。而由于環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備多為國(guó)外引進(jìn)這一缺陷，導(dǎo)致我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展依賴性較強(qiáng)，同時(shí)由于國(guó)內(nèi)外環(huán)境類型的差異，使得基于國(guó)內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境類型，不適合應(yīng)用國(guó)外較為精密的監(jiān)測(cè)儀器，因此在我國(guó)早期環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用過(guò)程中，雖然進(jìn)行了大量的資金與人力投入，但所取得的成效較為淺薄，這也是當(dāng)前階段我國(guó)環(huán)境治理技術(shù)發(fā)展落后的原因之一。在當(dāng)前階段，隨著我國(guó)通信技術(shù)，及計(jì)算機(jī)技術(shù)等硬件技術(shù)的不斷發(fā)展與壯大，同時(shí)我國(guó)對(duì)于環(huán)境治理的重視程度也不斷提升，從而使得當(dāng)前階段我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了巨大發(fā)展。但從整體上看，我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與環(huán)境治理技術(shù)與國(guó)外還存在著不小差距，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用仍然十分迫切。

3.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)原理及核心

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心內(nèi)容就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括三類節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器，路由器和無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。其主要工作原理如下：（1）在接通電源后，由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)。（2）路由器和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。（3）無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)設(shè)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。基于無(wú)線傳感器的工作原理及主要組成部分，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備以下特點(diǎn)：（1）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布不規(guī)范。（2）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器具有自動(dòng)組我能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器間的能量消耗最少。（3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間通過(guò)數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。可見(jiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)由協(xié)調(diào)器，路由器和無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)三類節(jié)點(diǎn)所組成的統(tǒng)一整體，在各部分的獨(dú)立工作與協(xié)調(diào)配合中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有較高的穩(wěn)定性與較好的協(xié)調(diào)性，從而保障了網(wǎng)絡(luò)整體的質(zhì)量。此外，除了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部工作機(jī)理，針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的各項(xiàng)內(nèi)容及環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求，為了進(jìn)一步達(dá)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的目的，需要進(jìn)一步提升傳感器等設(shè)備的硬件功效。例如，在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境指標(biāo)較為豐富，涉及到的監(jiān)測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)應(yīng)傳感器的質(zhì)量要求也更為嚴(yán)苛。例如對(duì)于不同程度污染的水源，為防止因傳感器遭到污染水源的化學(xué)腐蝕或其他因素的影響，需要制備傳感器的材料及工藝都采用一定特殊處理，從而保障信息采集的穩(wěn)定性。

綜上，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，其核心內(nèi)容是無(wú)線傳感器整體在其自身的三個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)作用下，所形成的工作機(jī)制，從而保障了無(wú)線傳感器所構(gòu)筑的整體網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。而在環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展中，正是應(yīng)用無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了以傳感器為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。在實(shí)際的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，除了保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還需要保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的全面，基于不同的環(huán)境類型，所需要采集的環(huán)境指標(biāo)及相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)也不同，而受不同環(huán)境因素的影響，對(duì)應(yīng)傳感器等設(shè)備的硬件要求也不同，因此在發(fā)展與推廣基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)過(guò)程中，需要結(jié)合不同地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，構(gòu)筑不同的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以滿足當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境監(jiān)測(cè)需求，同時(shí)最大程度上優(yōu)化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的利用率，從而提升環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際效益，從而進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

4.環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)面臨的后續(xù)發(fā)展與挑戰(zhàn)

隨著今后通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)將更加成熟，在實(shí)際的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中所采用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)的效率，以及傳授數(shù)據(jù)的效率將進(jìn)一步得到提升。例如在當(dāng)前階段由美國(guó)所設(shè)計(jì)的CC2530無(wú)線模塊，進(jìn)一步提升的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力。由加州大學(xué)伯克利分校的研發(fā)人員所開(kāi)發(fā)的Tinyos操作系統(tǒng)，則是從無(wú)線傳感器模式上進(jìn)行優(yōu)化，從而大幅地提升了數(shù)據(jù)采集及處理的效率。在今后的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，環(huán)境監(jiān)測(cè)將朝著信息化與智能化的方向進(jìn)一步發(fā)展，所需要借助通訊技術(shù)與科學(xué)技術(shù)的內(nèi)容更加豐富。因此在未來(lái)階段基于我國(guó)當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，在進(jìn)一步發(fā)展環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)環(huán)境治理技術(shù)達(dá)成質(zhì)的飛躍非常關(guān)鍵。在進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)，提升對(duì)應(yīng)環(huán)境保護(hù)技術(shù)研發(fā)的投入以外，還需要進(jìn)一步促進(jìn)通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)及環(huán)境治理工作是離不開(kāi)信息化技術(shù)的，只有把握信息化技術(shù)的命脈才能從根本上保障環(huán)境治理技術(shù)的發(fā)展。

5.結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是通訊技術(shù)與環(huán)境治理內(nèi)容相結(jié)合的具體表現(xiàn)。而環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅是通訊技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境治理工作中的出發(fā)點(diǎn)與著手點(diǎn)，同時(shí)也是保障后續(xù)環(huán)境治理工作進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。只有從環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)信息化與數(shù)據(jù)化，才能進(jìn)一步促進(jìn)智能化的環(huán)境治理。在當(dāng)前我國(guó)嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題背景下，我國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)及環(huán)境治理技術(shù)與國(guó)外還存在著大量差距，雖然基于當(dāng)前階段，以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一模塊的通訊技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)完備，但對(duì)應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的結(jié)合，以及實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建還存在著一系列問(wèn)題。當(dāng)前階段，我國(guó)需要逐步擺脫國(guó)外環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的依賴，掌握核心的系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)，從而結(jié)合我國(guó)獨(dú)特的環(huán)境類型研發(fā)相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)一步發(fā)展通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，并將這類信息化技術(shù)更多地應(yīng)用于環(huán)境治理工作中，才能促進(jìn)我國(guó)環(huán)境治理取得長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。