物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的運用分析

王美蘊

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 鶴壁 458000）

0 引 言

常規(guī)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測主要依托人工監(jiān)測和定期觀測等方式，這種觀測方式成本高需要投入大量的時間和精力，但是卻無法獲得更高的檢測精度和檢測效率，使得空間分辨率和分辨范圍受限，在短時間內(nèi)無法發(fā)覺環(huán)境的異常狀況。我國目前生態(tài)環(huán)境變得更加復(fù)雜，人工監(jiān)測無法適應(yīng)新時期的發(fā)展要求。而先進的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測體系可以對環(huán)境監(jiān)測進行實時自動化處理，全面分析生態(tài)環(huán)境中空氣、土壤以及水源等影響因素，提高環(huán)境監(jiān)測的整體質(zhì)量。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感器技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

所謂的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是物物連接的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展來的包括萬物的連接模式網(wǎng)絡(luò)，利用射頻識別系統(tǒng)和紅外感應(yīng)等設(shè)備按照規(guī)定的協(xié)議將物體和物聯(lián)網(wǎng)進行連接，實現(xiàn)信息的快速交換，還能夠?qū)ξ矬w實現(xiàn)智能化識別定位跟蹤。物聯(lián)網(wǎng)就是傳感器設(shè)備與各種物體連接的通道，幫助人們的生產(chǎn)生活與網(wǎng)絡(luò)快速結(jié)合，為人們營造智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及高效化的生活場景，提高生產(chǎn)效率[1]。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括應(yīng)用層、感知層以及網(wǎng)絡(luò)層3個部分。感知層由各種傳感器設(shè)備共同組成，包括識讀器、終端攝像頭及GPS，能夠感知外界環(huán)境，收集各種各樣的信號及物理信息。網(wǎng)絡(luò)層則是指物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，包括信息處理中心和智能控制中心等，能夠快速及時地處理信息。應(yīng)用層是指網(wǎng)絡(luò)化實際運用方向，在人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用，可以顯著提高行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化與智能化發(fā)展。

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布設(shè)大量的微型傳感器節(jié)點，以無線通信的方式實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以集成化各種微型傳感器，實現(xiàn)信息的實時接收和傳遞。無線通信對各種數(shù)據(jù)信息進行發(fā)送，傳感器所獲取的信息也能夠?qū)崿F(xiàn)集成化、微型化以及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融入嵌入式計術(shù)、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，能夠增強整個設(shè)備感知能力是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展的重要前景[2]。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器具有可自組織和隱蔽性強的特點，在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)當(dāng)根據(jù)環(huán)境的實際特點對空間進行全方位監(jiān)測，進行目標(biāo)定位和環(huán)境質(zhì)量評估，滿足各種功能的需求，提高無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的感知能力。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器具有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)性的特點，可以快速掌握信息數(shù)據(jù)，在短時間內(nèi)部署無線傳感器，增強資源的合理配置與優(yōu)化。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有較強的抗破壞能力和抗干擾能力，可以在各種不同的環(huán)境下正常工作。隨著人們的生產(chǎn)生活水平不斷提高，對于信息技術(shù)的需求也在不斷增強。無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以確保信息數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)零損耗的特點，將整個系統(tǒng)提升到更高的層次。在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)非常關(guān)鍵，可以起到良好的效果，對于技術(shù)探索也能夠提供保障[3]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠確保對外界環(huán)境進行全面監(jiān)測，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w質(zhì)量。在環(huán)境監(jiān)測中需要提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c穩(wěn)定性，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的實際特點，優(yōu)化設(shè)計鏈路層數(shù)據(jù)傳輸，增強數(shù)據(jù)的安全性，還可以建立物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑治龇椒ǎ扇∠鄳?yīng)的管理措施，保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w效果。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)所需要監(jiān)測的環(huán)境規(guī)模不斷擴大，其系統(tǒng)越來越復(fù)雜，使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計開發(fā)受到嚴重影響。要想實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)信息的傳輸應(yīng)用，可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全面分析環(huán)境中的大氣和湖泊水源等，結(jié)合具體的設(shè)計程序，避免出現(xiàn)研發(fā)資源浪費的情況，還能夠用于網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、系統(tǒng)兼容、減少系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性、增強系統(tǒng)和軟件應(yīng)用的整體質(zhì)量以及減少資源浪費等[4]。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)可重構(gòu)節(jié)點技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)需要具備智能化和協(xié)同化的性能，可以根據(jù)任務(wù)的大小和優(yōu)先級別自動化調(diào)配各種資源，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的自動化運行。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究中需要自制感知能力，優(yōu)化分布式處理和信息傳輸功能，將整個系統(tǒng)劃分為多個非重疊模式和共享硬件，避免因為模塊重疊導(dǎo)致系統(tǒng)資源出現(xiàn)浪費的情況。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)遠程無線軟件的升級與開發(fā)

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測的背景下，節(jié)點系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)受損以后需要自我修復(fù)功能，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)軟件的優(yōu)化。對自然環(huán)境進行全面監(jiān)測，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性多跳傳輸，確保在各種惡劣的環(huán)境下依然能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的更新。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)步驟

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)的整體設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)條件下需要分析生態(tài)環(huán)境的應(yīng)用特征，滿足系統(tǒng)架構(gòu)的整體需求，提高服務(wù)監(jiān)測的整體質(zhì)量。自組織功能的無線傳感器節(jié)點利用無線傳輸?shù)男问竭M行連接，能夠?qū)Φ孛妗⒌叵乱约翱罩协h(huán)境進行立體化的全面監(jiān)測，形成3D物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

3.2 核心單元設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)核心節(jié)點設(shè)計需要利用控制和信息處理單元、存儲單元以及通信單元共同組成，利用分布式電源提供保障。構(gòu)建適用于不同村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測體系，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點技術(shù)和生態(tài)環(huán)境感知數(shù)據(jù)進行分析，研發(fā)出滿足氣體、水體以及土體等多環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的傳感器模塊[5]。

3.3 系統(tǒng)傳輸過程設(shè)計

為了提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕枰行Э刂普麄€數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，設(shè)計差錯恢復(fù)擁塞控制和流量控制等具體方法，建立傳感器模型，全面優(yōu)化區(qū)域傳感器節(jié)點部署和覆蓋范圍，采取相應(yīng)的管理措施，保證信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用

4.1 無線傳感器技術(shù)在大氣監(jiān)測中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠在自然環(huán)境中自動分析有毒有害物質(zhì)的濃度、排放量以及排放速度，還能夠?qū)?shù)據(jù)信息實時傳輸給環(huán)境監(jiān)測管理部門，制定科學(xué)合理的污染管理策略，確保快速及時地處理污染問題[6]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用非常廣泛，大氣監(jiān)測主要以在線監(jiān)測或流動監(jiān)測為主，在線監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)同步監(jiān)測和監(jiān)測預(yù)報。全面分析未來的大氣環(huán)境狀況，固定監(jiān)測能夠在污染源的排放處安裝固定的監(jiān)測設(shè)備，形成分布式網(wǎng)絡(luò)，對特定的污染物進行全面控制。利用各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以對大氣環(huán)境中的二氧化硫和氮氧化合物可吸入顆粒等數(shù)據(jù)進行全方位收集，利用網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，對環(huán)境質(zhì)量進行自動化分析，明確環(huán)境數(shù)據(jù)處理的整體效果。

4.2 無線傳感器技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

水質(zhì)監(jiān)測可以在監(jiān)測點布置傳感器和視頻監(jiān)視等傳感設(shè)備，形成感知層，將所收集到的數(shù)據(jù)信息利用網(wǎng)絡(luò)層傳輸至應(yīng)用層，根據(jù)應(yīng)用層傳感器所在的位置對所有污染信息進行自動化記錄，也能夠?qū)崿F(xiàn)綜合分析。確保全面管理水質(zhì)水污染源，構(gòu)建三層網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)監(jiān)測體系，在原有的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸中進行模型改進，保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)倪B續(xù)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在大氣環(huán)境監(jiān)測中，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的詳細應(yīng)用[7]。

4.3 無線傳感器技術(shù)在生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

生態(tài)監(jiān)測可以分為不同的若干分簇，每一個分簇都可以對噪聲、溫度以及濕度等不同類型的傳感器進行優(yōu)化采集，所收集到的各種數(shù)據(jù)信息也能夠?qū)崿F(xiàn)自動監(jiān)控，確保環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量更加可靠，還能夠選擇最優(yōu)的傳輸路徑，有效降低網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的整體損耗[8]。

目前，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在很多缺點，包括系統(tǒng)相對較大、安裝困難、監(jiān)測終端太依賴通信基礎(chǔ)設(shè)施以及監(jiān)測終端和主控終端使用有線通信需要布線等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于即時監(jiān)測大氣狀況，使用多種傳感器探頭監(jiān)測大氣中相關(guān)氣體的含量。根據(jù)各數(shù)據(jù)節(jié)點收集的風(fēng)向和氣體濃度等多種參數(shù)，可以監(jiān)測毒性氣體泄漏。

設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提出了單個溫室環(huán)境監(jiān)測軟件及硬件對策和方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用有較多優(yōu)點。與傳感器、計算單元以及通信模塊集成的節(jié)點可以通過自身組織形成網(wǎng)絡(luò)，利用節(jié)點內(nèi)部的各種傳感器監(jiān)測周圍環(huán)境的水下熱、紅外以及有毒物質(zhì)等多種信號，部署方便，不需要支持電纜和其他設(shè)施。傳感器節(jié)點的價格不高，可以合理地放置在廣闊的水域，通過節(jié)點收集信息的空間相關(guān)性，可以獲得更準(zhǔn)確的環(huán)境信息。一般來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛用于地質(zhì)監(jiān)測。青藏鐵路550 km的凍土面隨著氣溫的變化容易引起地質(zhì)問題，對鐵路交通安全產(chǎn)生不利影響。相關(guān)學(xué)者利用多跳方式，研究開發(fā)了青藏鐵路用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點傳輸?shù)睫D(zhuǎn)發(fā)基站的同步節(jié)點，然后同步節(jié)點利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。此外利用GSM網(wǎng)絡(luò)短消息功能設(shè)計了包括光纖推力監(jiān)測設(shè)備和含水率監(jiān)測設(shè)備等在內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，及時預(yù)測泥石流等。

4.4 無線傳感器技術(shù)在海洋監(jiān)測中的應(yīng)用

海洋監(jiān)測利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠自動化監(jiān)測營養(yǎng)鹽、重金屬污染物、化學(xué)耗氧量以及有機磷農(nóng)藥等多種參數(shù)信息。對所有收集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)無線發(fā)射裝置進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速收集，構(gòu)建一種完善的物聯(lián)網(wǎng)海洋環(huán)境，智能發(fā)展系統(tǒng)，不同的節(jié)點都可以采取不同的連接方式，滿足不同的監(jiān)測點需求。

4.5 無線傳感器技術(shù)在重金屬等污染物質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

重金屬具有非常強的毒性，很容易在人體內(nèi)富集，對人的生命健康造成影響，而且重金屬污染非常持久，不容易被清除，因此需要對其進行實時監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，以遠程通信、數(shù)據(jù)檢測、系統(tǒng)控制模塊及綜合管理終端系統(tǒng)為主要組成部分。遠程通信模塊以GSM/GPRS和以太網(wǎng)為輔助來傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)檢測模塊能夠?qū)崟r檢測農(nóng)田土壤濕度和環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制模塊可分析計算數(shù)據(jù)，依據(jù)結(jié)果做出綜合決策，通過物聯(lián)網(wǎng)向管理終端傳輸，管理終端可接收與查看數(shù)據(jù)，發(fā)送決策命令[9]。通信以串口通信為主，可進入接收數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序，滿足數(shù)據(jù)接收需求，也可進入發(fā)送中斷服務(wù)程序，以滿足數(shù)據(jù)發(fā)送需求。此外，現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可通過水泵接收灌溉命令及GPIO端口控制來實現(xiàn)[10]。

5 結(jié) 論

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮了非常重要的作用，但也出現(xiàn)各種各樣的問題，從而影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。要積極采取相應(yīng)的技術(shù)措施，確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計得到有效優(yōu)化，提高對空氣、水以及土壤健康程度的監(jiān)測水平，及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染的問題，并為相關(guān)部門提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，為環(huán)境治理提供重要的參考依據(jù)。此外要積極探究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要優(yōu)勢，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的作用，提高環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體水平。