基于無線傳感器網絡的水環境污染源探測與定位

李 震

山東省臨沂生態環境監測中心 山東 臨沂 276000

引言：如果我們從污染發生地,我國的情況來看,仍有許多工作要做,特別是在防治水污染方面,這些工作主要以預防為核心,并附有相關規定,限制人為的污染行為。雖然一些研究者專門研究水污染監測系統和定位措施,包括遙感技術、水下機器人觀測系統和人工檢測,但這些方法都有一定的局限性。

1 無線傳感器網絡結構

無線通信技術和計算機技術的進步導致了更經濟的傳感器的快速發展,使得數據處理和無線通信能夠在小體積內融合信息采集。將大量的傳感器節點隨機分布到目標區域,以無線方式接收信息,從而自發組織形成無線傳感器網絡。網絡的主要組成部分包括傳感器節點、數據中心(網關、監控平臺),數據節點通過一個或多個跳轉將收集的數據發送回數據中心,無線傳感器系統具有無線通信、環境傳感和數據處理的能力,并具有自己的能量器件和傳感器功能來解決復雜的問題。無線傳感器網絡作為全球新發展和互聯網的一部分,可以提供廣泛的應用。

2 無線傳感器網絡應用于水環境定位的優勢

與現有的深水自動實時控制系統相比,無線傳感器網絡具有以下優勢：

2.1 它是由自動裝置組成的一種計算機網絡,輻射小的無線信道和多跳通訊協議將水環境參數傳送至匯集節點,基站通過高速實時傳輸通道的無線網絡將水環境參數傳送至監控中心。

2.2 多點傳感器的使用 多點密集部署的傳感器可以在地理分布廣泛的區域內檢測多種水環境因子,通過大規模處理相關信息,提高了測量精確度；

2.3 系統成本低 與現有的水系統和實驗室樣品分析相比,設備和人員的成本要低得多。無線傳感器網絡能有效地克服現有的水環境監測方法對水域原生態環境影響大、數據采集點少、監測范圍有限、系統價格昂貴、設備體積大、需預先鋪設電纜等缺點,更適合對大范圍水域(如水庫、濕地、湖泊、江河、海洋等)的水環境進行多點遠程實時監測。

3 傳感器監測網絡的關鍵技術

3.1 監測網絡架構 關于水網監測,監測網的設計對于監測區域的有效探測和數據的有效傳輸至關重要?；赪eb的實時監控已成為智能控制技術的發展趨勢。為了對水環境實時監控,根據發射網絡的特點,我們將建立實時監控系統,通過數據提取子系統、控制中心和應急系統子系統來實現監控、管理和控制。記錄數據主要用于通過無線發射網絡采集水環境的實時數據,并實時傳輸到控制中心服務器,幫助主管部門高效地確定水環境狀況,更快地檢測水環境的變化。控制中心的服務器處理來自數據采集系統的所有信息,以確定傳感器節點的位置并發出警報。第二,控制中心必須對水的行為進行分析,以便預測這種環境的趨勢。最后,控制中心必須實時顯示水監測信息,并將所有信息存儲在web服務器上。最終反映系統允許遠程用戶,包括管理部門,通過網絡瀏覽器實時獲取監測中心的水監測信息,并制定適當的應對措施。

3.2 網絡拓撲控制技術 傳輸網絡中節點的能量供應受限,動態變化,部分原因是環境的變化和節點本身的能耗。為了節約節點的能耗,同時也能應對網絡的變化,我們提出了一種真正基于數據的驅動策略：如果我們通常以節點能量和節點的最高通信范圍為目標,選擇持久的連接結構。如果現場測量異常數據(高于平均值),觸發短鏈路拓撲結構,以異常值的節點為起點,沿水流方向激活周圍節點,以精確控制異常環境數據。

3.3 路由協議 與傳統通信網絡不同,路由節點能耗數據傳輸問題必須包括在內。同時考慮了水體流動單向特性,根據節點位置關系的MAC層協議,以降低系統的傳輸頻率；在擴展網絡現有容量時,在使用數據的動態方法的基礎上達成協議。

4 網絡上的無線傳感器

在水污染監測與定位應用中,在較低的損耗代價下,及時發現污染并定位污染源的前提是合理有效的覆蓋策略。在無線傳感器網絡覆蓋和應用背景不同的情況下,該策略的主要目標功能上主要分為故障元素的早期檢測和更好的響應如何監控環境中的動態事件。前者主要集中在無線傳感器中目標的檢測與跟蹤問題,后者主要集中在對無線傳感器周圍環境的監測上。充分覆蓋的主要目標特別是提高網絡的可感知性,實現地表以外的現有覆蓋,以及實現地圖和感知能力或其他目標。從覆蓋策略依據的網絡節點部署方式分,可分為確定性網絡覆蓋部署與網絡節點隨機覆蓋部署。為了延長網絡的壽命周期,覆蓋策略常考慮網絡能耗。

5 無線傳感器網絡污染源定位

無線發射器位置的問題可分為兩大類,一方面關于在無線發射器網絡中操作的節點,另一方面關于知道網絡中其他節點的位置的網絡中的特定錨節點的位置,連接到錨節點位置；其中一個是無線傳感器網絡的目標地址,該無線傳感器網絡可以根據目標源釋放信號,電磁強度或擴散物濃度等信息,確定目標源的位置。節點分為路徑或路徑傳感器算法,無線傳感器網絡的位置確定和目標方向之間具有相似性。所有這些都需要節點鏈接到目標地址的“直接”信息。節點本身確定指向目標的已知坐標節點的信號強度,并使用縱向信息將該信息轉換到目標。

結語

在許多監測工作中,污染源不僅限于靜止狀態,如泄漏監測、化學污染源追蹤等,電磁源和光源、散射體在介質中的遷移和降解速度慢,導致濃度觀測的延遲和累積散射效應。固定位置釋放擴散體的擴散過程持續時間長,使得目標在運動過程中受殘余信息影響的濃度檢測更加困難。