無線傳感器網絡在環境監測中的應用探討

賈娟麗

（楊凌示范區環境監測站 陜西咸陽 712100）

近年來，無線傳感網絡技術飛速發展，其不斷被融入環境監測工作中，對環境監測工作效率的提升帶來了巨大的推動力，也使監測的準確性有所保障。

傳感器網絡是由無數零散的節點銜接而成，這些節點的運行涉及設備的安裝、微型計算機技術、網絡系統構架、通信數據傳輸、信息整合和綜合處理等多方面的內容，該技術能夠通過不同節點的探測器實現對監測對象全程的跟蹤與參數的收集，確保與計算機模塊的對接，并且將已經處理過后的信息以統一的標準通過無線通信網絡傳輸到環境監測的后臺中心。可以說，環境監測工作是無線傳感器網絡技術的典型應用平臺。

目前，人們在關注經濟發展速度的同時，對于環境質量及環境保護的工作也給予了高度的重視，而環境科學涉及的監測范圍也更加廣泛，傳統的人工采集數據方式很難適應現代化環境監測工作的需求。例如，傳統的人工大氣檢測方式需要通過人力實現對樣品的提取，再將這些實驗對象代入操作現場進行專業分析，而這些實驗對象在提取到進入實驗室的這一段過程中，很可能會受到氣體平均濃度或樣品存儲時間的影響。

而無線傳感網絡技術的應用可以為外界隨機性地獲取環境監測數據提供新的可能性。無線傳感網絡的節點數量眾多，不僅能夠減少人為樣品采集對樣品帶來的破壞，同時，還可以根據環境監測需求獲取海量的數據信息。目前，無線傳感器網絡技術在環境監測工作中具有廣闊的應用前景，在環境監測信息數據的實時采集、數據的深度挖掘等各方面都具有至關重要的價值。

1 無線傳感器網絡的概述

將無線傳感器網絡應用在環境監測工作中，能夠起到提升環境監測質量的作用。環境監測系統內部利用的傳感器網絡是一種具有層次結構的綜合性網絡構架，在監測系統的底層結構中布置了多個傳感器的節點［1］，而在這些節點相互連接及互通消息的作用下，可以將監測對象的相關數據信息傳輸到終端設備中，使終端設備的監控人員對環境質量進行一定的掌握和了解。傳感器的節點主要是由處理器模塊、能量供應單元等部分構成。為了確保環境監測數據信息獲取的準確性，通常情況下，要求在環境監測目的地附近布置數量較多的傳感器節點，同時，要保障不同傳感器節點之間的密度較大，這樣才能構建起一個體系化的傳感器網絡系統。傳感器節點在環境監測系統中主要起到了數據傳遞的作用，能夠將環境與數據信息傳送到環境監測基站中，而這一過程中的傳輸網絡主要是負責調節不同傳感器節點，二者之間的相互作用能夠使后臺監測人員快速獲取環境監測目的地覆蓋范圍中的環境數據信息。

事實上，無線傳感器網絡構架就是通過分布在零散節點的微型設備和移動節點相互銜接而構架成的一種有機網絡體結構，這些節點之間可以通過特殊的信息傳遞通道實現數據的對接，而不同數據節點也能針對精準的對象進行定位和參數采集，然后通過統一的傳輸渠道上傳到后臺控制和整合設備中，基于這些數據的精確處理方式，實現對數據潛在關聯的挖掘，這種信息傳遞模式更加便捷且迅速。除此之外，無線傳感器網絡技術還具有零散節點和分布式設置的優勢，能夠在局域范圍內實現節點的靈活調整，并且不會影響到數據傳輸的精準性，這些零散且分布式的節點都可以利用自身攜帶的微型設備實現對監測對象定位數據及其他參數的準確抓取，然后再利用統一的傳輸格式和傳輸渠道實現對這些信息的終端傳遞，滿足檢測人員所需要的標準信息需求。

2 無線傳感器網絡技術在環境監測工作中的應用特征

2.1 具有多數據發送模式的特征

為了實現數據的高效傳遞，確保數據傳輸的通信質量，傳感器網絡架構中的每一個節點微型設備中都兼具著數據監測、動態接收及實時傳輸的能力。尤其是考慮到許多零散的節點設備所處的不同局域環境，很可能面臨著的是較為惡劣的外部自然環境，這也意味著這些節點在數據傳輸及接收的過程中可能會受到外界自然環境的影響和干擾無法正常地發揮數據傳遞的價值。因此，不同區域的節點在差異性監測工作環境的背景下，傳感器節點必須要具備數據發送模式的功能，這樣才能夠確保無線傳感器的節點具備強大的抵御干擾能力，在任何惡劣條件下，都能夠緊緊抓住數據不放松，為節點抓取數據信息的上傳爭取通暢的傳輸渠道［2］。

2.2 系統具有功率超低的特征

數據節點在實現數據抓取的過程中需要足量電能的維持，而無線傳感器設備中的電量主要是由內部的微型輸入設備所提供的，并且在整體結構設計中，必須考慮到體積及續航時間的匹配性。因此，微型電能供應設備必須要做好功能消耗方面的控制，這樣才能夠確保一次微型電池的使用能夠滿足長時間監測工作的需求。具體可以應用以下幾種方式來降低傳感器系統的能源消耗。第一，可以選擇采用能源消耗量更低的軟件。第二，可以針對外界所處狀態及監測對象選擇工作模式。例如，針對信息的發射模式、信息的接收及動態的采集都可以設置時間節點。第三，可以靈活調節不同的工作控制模式，用戶也能依據環境監測工作的實際需求，針對信息的發布、信息的抓取模塊進行靈活選擇，如果不需要工作時，就應該將系統設置為休眠模式以節省電量。第四，在環境監測系統不需要對周邊自然環境進行監測工作時，可以讓系統中耗電能源較大的重要節點及重要零部件率先進入休眠省電的狀態。

2.3 Zigbee通信協議技術

目前，我國的環境監測系統中采用的無線通信技術主要有bluetooth、紅外線技術、GSM技術及Zigbee通信協議技術。其中，Zigbee 通信協議技術相比于其他通信技術來說，在應用過程中具有能源消耗量較低、成本投入量小、雙向傳感等優勢［3］。

2.4 多傳感器數據融合的特征

監測工作的后臺控制系統需要針對差異化來源的上傳信息節點進行整合收集。而在監測過程中采用的網絡傳輸節點，其數據的監測功能差異是巨大的，不同工作模式下，會上傳規模龐大的信息流，這些信息流可以通過不同節點之間的相互銜接，實現流動傳輸，也可能會在集中的時間點選擇同一路徑實現后臺的上傳。為了避免數據傳輸過程中同一采集節點海量信息流同步上傳帶來的波動問題，重要必經節點就應當具備不同信息流整合等功能，這樣才能夠針對規模龐大的信息流進行前端篩選，將高利用率的數據信息提取出來，經過初步處理后，再進入終端設備。

2.5 具有定位功能

定位技術主要是指傳感器節點能夠將監測對象的位置信息傳輸到后臺控制終端。位置信息是傳感器節點收集到的污染信息數據中的重要構成部分，對于環境監測工作的發展具有重要意義。明確污染問題發生的位置，并且獲取數據節點的位置，是無線傳感網絡具備的基礎性功能也是特征之一。為了向后臺終端設備提供準確且有效的位置信息，布置在監測的對象附近的傳感器節點必須要具備自身定位的功能，并且根據自身的位置來判斷監測對象所處的位置。在定位過程中，可能需要無線傳感器的節點能夠快速地估測出不同節點之間的角度和距離，然后再根據監測區域的實際狀況，將傳感器網絡定位分為與距離無關的定位或在距離基礎上進行的定位操作。其中，與距離有關的位置包括了AOA 定位、TOA 定位等，而與距離無關的定位算法包括有質心算法及APIT 算法等。在這些算法中，不會受到距離影響的定位算法對傳感器網絡的硬件設備要求并不嚴格，因此在定位過程中不會輕易受到外界環境的影響，因此，與距離無關的位置確認技術也是當前傳感器無線網絡中應用較為廣泛的一種定位機制。

3 無線傳感器網絡系統的構架與組成

使用無線傳感器網絡，在環境監測工作中具有顯著的應用優勢。第一，無線傳感器網絡具有自我組織性，能夠為環境監測工作提供成本較低且部署效率較高的網絡構架。第二，無線傳感器網絡在環境現場監測過程中，可以將采集的數據通過中間的節點和路由器進行傳送，在不消耗任何能源及成本的前提條件下，就能夠有效地提升整個無線傳感器系統的數量級。第三，無線傳感器系統的網絡具有較強的抗毀性能，能夠滿足有些特定自然環境條件下的監測需求。

在過去的幾年內，國內外對無線傳感器網絡系統在環境監測中的應用進行了充分的研究，并且也取得了突破性的進展。Intel研究中心與美國加州大學伯克利分校實驗室的相關研究人員在Great Duck Island 使用了無線傳感器網絡系統來研究島嶼周邊的自然生態環境。而我國杭州也開始將無線傳感器系統利用在了對杭州西溪濕地水環境的監測工作中。除此之外，我國國防科技大學也針對無線傳感器網絡系統在環境監測中的應用進行了深入的研究，并取得了顯著的研究成果。

當前，無線傳感器網絡系統在我國的環保事業中并沒有得到大范圍的應用。一方面。無線傳感器屬于新生代網絡信息技術下的新興產物，國內對其應用優勢的研究及實際應用方式的研究還處在摸索階段。另一方面，無線傳感器網絡系統在應用過程中，在一些關鍵節點的技術方面仍然面臨著許多亟須解決的問題，而國內對于無線傳感器網絡系統在環境監測工作中的應用研究依然處在初步階段中，再加上無線傳感器網絡系統應用在不同的自然環境中也面臨著差異性的技術問題，因此，無線傳感器、組網結構及傳感器節點在不同環境監測工作中的設計具有差異性的要求。

無線傳感器網絡系統的部署可以在不同的環境監測區域內由多個小型的傳感器網絡節點通過自我組織的方式構建起來。為了確保無線傳感器網絡系統具備環境監測的功能，首先，必須要確定無線傳感器網絡系統的拓撲結構。目前，無線傳感器網絡系統在自我組織和構架過程中主要存在集中式控制結構及分布式控制結構這兩種方式。在分布式控制結構中，根據無線傳感器網絡系統中中轉節點數目的多少，又可以分為對等式結構及分層結構這兩種類型。每一種結構下的無線傳感器網絡系統在不同的環境監測工作中都具有其顯著的優勢及缺陷性，需要根據環境監測工作的實際狀況及周邊的應用條件來決定無線傳感器網絡系統的拓撲結構。在通常情況下，環境監測工作區域往往面積較大并且監測點較為分散，在這種情況下，可以采用分層式的無線傳感器網絡結構。但是，如果環境監測工作中監測的區域相對來說較為集中，并不需要布置較多的監測節點，就可以采用對等式節點拓撲布置的方式，只在監測點較為集中的區域布置無線傳感器網絡監測節點，然后通過網絡關聯系統與后臺監控中心之間相互連接，就可以將監測信息及時上傳到后臺控制中心，為環境監測人員提供準確的數據支持。

4 無線傳感器網絡在環境監測工作中的應用

4.1 無線傳感器網絡技術在地質環境監測中的應用

無線傳感器網絡尤其以地質狀態的監測功能優勢最為凸顯。例如，在我國環境區域極其惡劣的青藏鐵路線的前期地質背調工作中，考慮到這一鐵路段需要穿越超過500km的無人區，溫度的惡劣性、信號的波動性及地質條件的波動性都在該區域交通線路的后期建設和正常運行埋下了極大的不穩定性，同時還可能會出現監測信息無法及時傳輸或監測數據錯誤等問題，目前，我國行業界已經開始著手研發基于該區域惡劣外部環境下的極端溫度定時監控系統，這項系統的銜接和運行通過了多分布點跳躍銜接的方式，在必要狀況下，能夠跨越上一節點直接轉發到中心控制站，在經過基礎信息的初步處理之后，將信息匯集上傳，利用GPRS網絡發送到后臺監測中心。

4.2 無線傳感網絡技術在水環境監測中的應用

與無線傳感器節點構成的數據傳輸局域網絡在水污染物質運行監測方面也具備得天獨厚的優勢。網絡構架可以通過傳感器節點、計算單元及通信模塊自動組成信息傳遞的銜接構架，再利用多種功能的微型設備對監測對象中光感參數及熱感參數進行抓取，這樣就能夠準確地分析出水質中含有的有毒有害物質及毒害物質的含量等信號。無線傳感器網絡技術在監測水環境的工作中具有傳感器節點設置便捷、不需要搭建有線電纜及復雜終端設備的優勢，除此之外，這些微型節點的構建投入成本并不高，并能夠更好地適應水域環境。通過這種高密度的傳感器，節點部署有利于采集不同空間的水環境信息，同時也能夠獲得更加精準的數據。目前，業界已經有專家利用無線傳感器網絡技術，結合了軟測量技術及智能信息處理技術，對濕地的水環境質量進行了遠程的跟蹤性動態監測，在應用過程中發現，無線傳感器技術具有覆蓋范圍較廣、監測精確度較強、監測連續性較強等優勢，同時，無線傳感器節點低廉的成本也解決了傳感器節點部署過程中的密度問題和覆蓋性問題［4］。

4.3 無線傳感器技術在大氣環境監測中的應用

無線傳感器技術在大氣環境監測工作中的應用，較好地解決了當前我國大氣環境監測系統中氣體成分監測精準度不足、系統構造復雜、有線設備搭建困難、終端數據收集波動等問題。目前，無線傳感器技術以其獨特的應用優勢已經在我國的大氣環境監測系統中得到了廣泛的應用。通過無線傳感器網絡，能夠對局域內部的氣體運轉狀態進行動態跟蹤，也可以通過在特殊地域條件下設置功能性的傳感器接口，進一步捕捉目標氣體的含量及變化狀態。而這些微型探頭都能夠具備監測局域環境內風速、風力風向及重點監測氣體濃度的功能，能夠及時且精確地監測到大氣中是否存在毒害氣體［5］。

目前，我國的環境監測行業中已有專家通過利用無線傳感網絡技術實現了對大氣環境監測系統的網絡優化構架。在這一實驗中，相關專家研制了專門用于監測生活環境中毒害氣體的無線傳感網絡系統，這一系統能夠持續性地工作3 周，傳感器節點能夠直接將監測到的氣體數據信息傳輸到后臺基站中，傳感器節點數據信息的最大傳輸速度能夠達到165kB/s。除此之外，無線傳感器網絡技術也能夠應用在突發性事故的應急預警和監測工作中。無線傳感器系統在應用過程中具有結構簡單、覆蓋面積較大等優勢，能夠在大氣環境中對傳感器節點進行靈活的部署，提升了對于空氣中各類型參數的實時監測精確性［6］。

5 結語

綜上所述，無線傳感器網絡技術能夠廣泛地應用在不同的地理環境中，有效地提升了環境監測數據的精確性及信息傳遞的及時性。未來，無線傳感器技術將會克服節點消耗量較大等問題，進一步拓展在環境監測工作中的應用范圍，提升環境監測數據的可靠性。