無線傳感器網絡在環境監測中的應用

摘要：我國“十四五”規劃明確提出持續改善環境質量，深入打好污染防治攻堅戰，建設環境友好型社會。環境監測是環境管理的基礎也是評價改善成效的依據。近年來，隨著信息技術，電子技術及計算機技術的發展，無線傳感器網絡技術不斷豐富升級。其擁有網絡規模大、可快速展開、實時性高、網絡動態性強、較強的容錯性等特點，目前已被廣泛應用于軍事、醫療、環境監測等方面。主要對無線傳感器網絡技術在網絡節點部署、能耗、安全性、通信及在環境監測中的應用方面進行總結，分析當下的發展進程，并對未來的研究方向提出展望。

關鍵詞：無線傳感器網絡；環境監測；節點定位；節點部署；網絡通訊；安全性

隨著工業化不斷發展，環境問題日益顯現，環境監測成為環境治理的關鍵性的環節。傳統的環境監測方式一般采用人工巡視檢查，存在成本高、實時性差等缺點。隨著信息技術，計算機技術以及電子技術的發展，小巧輕便、部署自由的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）應運而生，它擺脫了施工布線的制約，降低了人力、系統維護等成本。由于環境監測對數據傳輸的速度與質量有著較高的要求，一旦數據大量失真會產生嚴重且惡劣的社會影響，而通過無線傳感器網絡得到的數據實時性和連續性高，比人工監測獲取的數據更有保障，可排除監測人員水平參差不齊、敬業負責程度不一等因素的干擾［1］。因此，如何將無線傳感器網絡應用在環境監測領域成了研究熱點。

本文從無線傳感器網絡工作原理出發，分別從節點和網絡兩個層面進行分析。其中節點是無線傳感器網絡的基本單位，采取的數據傳輸的方式為無線通信。因此，文章針對傳感器、節點部署、無線網絡等主要關鍵技術和無線傳感器網絡在環境監測中的應用場景進行了總結。

1無線傳感器網絡原理

無線傳感器網絡由成千上萬的傳感器節點組成，是一種自組織分布式傳感器網絡。節點被部署在目標區域中，每個節點通過其內部的傳感器對環境信息進行采集，比如光照度，二氧化碳濃度等。再利用無線通訊技術通過數據傳輸單元將信息傳遞給匯聚節點，匯聚節點將數據進行篩選以及融合后可通過廣域網或衛星與用戶直接通信，用戶在接收到數據后就可以對數據進一步處理。

傳感器節點大多輕便小巧，這也導致其性能的局限性，包括其維持工作所需要的能量、節點間的通信能力、計算與存儲能力都比較有限。大量科研人員在突破節點本身的局限以及在局限內進行優化以實現更高效能方面進行研究，使無線傳感器網絡發展迅速。近年來，隨著研究的深入，無線傳感器網絡在環境監測應用方面發展迅速。

目前最為廣泛應用的結構，是以無線傳感器節點為基本單位，通過無線通信進行連接，結構如圖1所示。

2傳感器

傳感器是用于獲取環境監測參數指標，將從現場測量到的信息轉變成相應數值的元件［2］。在環境監測方面，面向不同的環境，傳感器的選用有所不同，特殊環境下，亦有針對性的傳感器選擇。例如對空氣環境進行監測時常用的傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、PM2.5濃度傳感器等，對水質環境進行監測時使用的溶解氧、pH、電導率和濁度的傳感器等。近些年，生物傳感器技術不斷發展，在水環境監測中，由于其具有更好的選擇性、更短的響應時間、更高的穩定性等特點而被廣泛使用。比如BOD微生物傳感器已經成為監測水體污染時被選擇的熱門傳感器［3］，在此基礎上研究人員將其進行光學處理，更加顯著地提升了效能。對工業環境進行監測時，例如對橋梁等架構進行監測，常常使用測縫針、磁通量傳感器、軟彈性電容式傳感器等。對煤礦井下環境進行監測時，使用甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、風壓傳感器等。

隨著研究的深入，傳感器更加具有適應性和耐用性，尤其在惡劣條件下仍然能夠保持良好的運轉。這為研究人員能夠對更多復雜惡劣的環境進行監測打下堅實的基礎。

環境監測節點將產生大量環境信息，但如果節點位置信息未知，得到的數據則無意義，只有清楚自身位置信息，才能通過接收到的信息了解外部環境［4］。

此外，當節點出現故障時，通過定位就可以知道故障節點所在位置，這樣才能夠第一時間采取措施應對。同時節點位置信息亦是WSN很多關鍵技術的基礎，包括設計基于節點位置信息的路由算法，為減少系統能耗合理安排不同位置節點的睡眠工作時間等，因此節點定位至關重要［5］，提高算法定位精度是我們未來研究的重點。

3無線網絡

環境監測過程通信網絡性能非常重要。按通信距離劃分，現代通信網絡分為局域網和廣域網，局域網技術主要以Bluetooth、Wifi、ZigBee、Uwb、Irda、NFC為代表［6］，表1分別對七類無線網絡通訊技術性能比較：

低功耗廣域網絡技術配合無線傳感器網絡主要應用在森林［7］、水質［8］以及氣象監測［9］等人工難以抵達的偏遠區域上。戴楊等人提出了基于LoRa物聯網的森林環境監測系統架構并實現，針對林區特點綜合考慮了系統的成本、功耗、可靠性以及擴展性等，目前已在穩定運行一年［10］。

近幾年，隨著5G的發展，無線傳感器網絡的通信也有望擁有更快的速率、更低的能耗以及更高的可靠性。

4無線傳感器網絡在環境監測中的應用

環境監測重點關注自然環境和工業環境兩方面，自然環境包括森林、大氣、水環境等。工業環境包括工廠、橋梁建筑、煤礦開采等，對工業環境進行監測主要是國家對于工廠排放的廢水廢氣的監測，保證工程質量以及施工人員的安全。近些年許多工廠的排放并不達標，嚴重危害環境，因此國家及時采取措施，關閉小工廠，合并大工廠，并對排放嚴格管控。

4.1自然環境

自然災害一直是危害人類社會的重要因素，每年因地震、洪水等自然災害死亡的人不計其數，并且會造成巨大的損失。隨著科技的發展，無線傳感器網絡的出現為人們提供了對自然災害的預判預警，為人們的生命財產安全提供了較好的保護。同時也對生態環境、氣象、農業等方面進行有效監測。

由于全球變暖等問題，自然災害越來越嚴重，為了預警并保護這些受災地區的人，Cholatip和Sathapath［11］設計一種無線傳感器網絡作為氣象站網絡，該設計利用決策樹技術分析天氣信息，并發布災害警報，能提前使人們意識到危機做好防范。Yu等［12］提出了一種用于森林火災實時探測的WSNs范例，相比于傳統的基于衛星的森林火災監測方法相比，該方法更加快速。Lloret等［13］在常用的網絡中加入攝像機，目的是可以讓消防隊員證實火災的存在，避免誤報。并且圖像信息會被上傳至互聯網，從世界任何地方都可以看到相機的圖像。Baggio［14］在馬鈴薯田里部署了一種對抗植物病害的無線傳感器網絡，使用868/916 MHz的微粒測量溫濕度用以揭示作物何時處于危險之中，并讓農民只在植物真正需要處理的時候進行處理。WSN用于精密灌溉亦降低了成本，提高了生產力，同時做到了節約用水［15］。

4.2工業環境

在工業生產中，工廠的違規排放造成了大量污染，因此國家愈加重視廢水廢氣的監測，并嚴格要求工廠的排放需達到規定指標，吳麗琴［16］針對高水耗企業水務管理落后的現狀提出了面向企業的水務監測系統為企業年節水16％符合國家節能減排的要求。盛平等［17］為污水處理廠設計了遠程協同監控系統，為其污水處理量增加了5.2%。龔發根等［18］提出了應用于工業廢氣監控的無線傳感器網絡，實時監測工業環境空氣中廢氣含量，可以實現較好的控制與監督。

亦有許多具有較高危險性的地帶無法進行人工監測，無線傳感器網絡同時滿足監測實時性和全面性的要求，發揮了較好的作用。比如，煤礦挖掘、石油鉆井、核電廠等。張永超［19］設計了一種基于FDSI的無線傳感器網絡對煤礦甲烷氣體進行監測，可以預警工人及時疏通避免瓦斯爆炸對工人的生命安全造成威脅。黃思月［20］設計了石油鉆井設備檢測的無線傳感器網絡系統，能夠實時跟蹤建井過程、預報井下故障，大大降低了風險系數。監測工業建筑的安全也時常使用無線傳感器網絡，比如橋梁，鐵塔等。其中包括英國亨伯大橋［21］、美國金門大橋［22］等。國內亦有對武漢長江二橋［23］等地進行監測并取得較好的效果。王兆文［24］對通信鐵塔狀態進行監測，主要包括鐵塔的震動與傾斜，預防因風吹日曬使鐵塔倒塌而對鐵塔周圍的安全產生威脅。

5結束語

無線傳感器網絡技術內容豐富，想要將其運用在環境監測中還需要多方面的優化，在傳感器方面，還需要制造合適、更精確的傳感器硬件設備，比如海水等環境下的傳感器應更耐腐蝕，更能承受環境帶來的損耗，優化硬件電路以避免電路失效帶來的故障。設計更準確的節點定位算法和覆蓋率更高的部署方式，探究更低能耗的網絡運行方式及路由算法，以及在隨著5G浪潮的來臨，無線傳感器網絡有望獲得更高的通信速率，低至毫秒級別的延時和更高的安全性。雖然5G通信的單跳距離較近，但結合NB-IoT等技術，可以取長補短發揮優勢。如何更好地將無線傳感器的作用發揮在環境監測中依舊需要學者不懈探索。

參考文獻：

［1］佘昱， 吳中杰， 侯亞琴. 前沿信息技術在環境監測中的應用前景展望［J］. 環境污染與防治， 2020， 42（11）： 1415-1419.

［2］陳鍇. 基于多源異構傳感器的網絡安全態勢感知系統設計［J］. 現代電子技術， 2020， 43（20）： 74-78.

［3］張青松， 張連水， 齊海峰. BOD測量方法及儀器進展［J］. 河北漁業， 2014（05）： 55-58.

［4］陳俊逸，陳琳.無線傳感器網絡定位研究綜述［J］. 電腦知識與技術， 2021， 17（01）： 41-42+51.

［5］Cheng L， Wu C， Zhang Y， et al. A survey of localization in wireless sensor network［J］. International Journal of Distributed Sensor Networks， 2012.1： 385-391.

［6］韓麗英， 陳紹強. 近距離通信的SWP方案及在SIM卡中的實現方法［J］. 單片機與嵌入式系統應用， 2010（03）： 31-34.

［7］何丙陽. 基于LoRa無線通信組網技術在森林環境監測系統中的研究［D］. 北京林業大學， 2020.

［8］葛新越， 王宜懷， 周欣. GA-BP神經網絡在NB-IoT水質監測系統中的應用研究［J］. 現代電子技術， 2020， 43（24）： 30-33+37.

［9］王立亮， 王嘉. 基于LoRa無線通信協議的物聯網風速風向監測系統設計［J］. 工業儀表與自動化裝置， 2020（04）： 44-47.

［10］戴楊， 張晴暉， 李俊萩， 宋燚， 秦明明， 強振平. 基于LoRa物聯網的森林環境監測系統的架構與實現［J］. 現代電子技術， 2020， 43（22）： 44-48.

［11］Yawut C， Kilaso S. A wireless sensor network for weather and disaster alarm systems［C］. Proceedings of International Conference on Information and Electronics Engineering（ICIEE2011）. 2011.

［12］Yu L， Wang N， Meng X. Real-time forest fire detection with wireless sensor networks［M］. 2005.

［13］Lloret J， Garcia M， D Bri， et al. A wireless sensor network deployment for rural and forest fire detection and verification［J］. Sensors， 2009， 9（11）： 8722-8747.

［14］Baggio， A. Wireless sensor networks in precision agriculture［D］. In Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks. REALWSN'05， Stockholm， Sweden， 2005.

［15］Akyildiz， I.F. Stuntebeck， E.P. Wireless underground sensor networks： research challenges［J］. Ad Hoc Netw， 2006， 4， 669-686.

［16］吳麗琴， 袁輝， 瞿國慶， 等. 基于WSN的水務管理系統設計與實現［J］.工業儀表與自動化裝置， 2013（06）： 20-23+42.

［17］盛平， 王玉秀， 郭洋洋， 等. 基于ZigBee和3G的多污水處理廠監控系統設計［J］. 排灌機械工程學報， 2011， 29（06）： 503-507.

［18］龔發根， 汪煒， 秦拯. 基于ZigBee無線傳感器網絡的工業廢氣監控系統［J］. 傳感器與微系統， 2011， 30（01）： 86-89.

［19］張永超， 趙錄懷， 張釗瑄. 基于FDSI的無線傳感器網絡煤礦甲烷氣體監測系統［J］. 工業儀表與自動化裝置， 2019（06）： 62-65.

［20］黃思越. 石油鉆井設備檢測的無線傳感器網絡系統設計［D］. 大連理工大學， 2015.

［21］Stajano F，Hoult N，Wassell I，et al.Smart bridges，smart tunnels; Transforming wireless sensor networks from research prototypes into robust enginneering infrastructure［J］. Ad Hoc Networks， 2010， 8（8）： 872-888.

［22］Kim S， Pakzad S， Culler D， et al. Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks［C］. Proceedings of the 6th international conference on Information processing insensor networks. 2007： 254-263.

［23］杜年春. 地鐵施工監測信息管理及安全預警系統的設計［J］. 工程建設， 2006（02）： 28.

［24］王兆文. 基于ZigBee的通信鐵塔狀態監測系統的研究［D］. 東北石油大學，2017.