無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在東陽(yáng)市“五水共治”中的應(yīng)用價(jià)值分析

郭淑華

摘要： “五水共治”，吹響了浙江大規(guī)模治水行動(dòng)的新號(hào)角。東陽(yáng)市投入大量人力、物力、財(cái)力用于改善水質(zhì)，也取得一定階段性成果。但是對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要采用人工分析，工序復(fù)雜、既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，又無(wú)法對(duì)水樣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確反映水質(zhì)的情況。同時(shí)對(duì)于大量生活污水、農(nóng)田排水或工業(yè)廢水的偷排、漏排的現(xiàn)象除了排查方式，平時(shí)更多的還是依賴群眾監(jiān)督和舉報(bào)的形式，監(jiān)督機(jī)制不夠完善和系統(tǒng)，嚴(yán)重影響“五水共治”的工作實(shí)施與進(jìn)度，讓工作的進(jìn)展顯得捉襟見(jiàn)肘。本課題構(gòu)想基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于水文信息監(jiān)測(cè)，提供嶄新途徑，對(duì)確保防洪安全、飲水安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等，具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器；五水共治；水文監(jiān)測(cè)；傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）03-0031-02

“五水共治”是浙江省委、省政府貫徹落實(shí)黨的十八大、十八屆三中全會(huì)精神，推進(jìn)新一輪改革發(fā)展，再創(chuàng)浙江發(fā)展新優(yōu)勢(shì)而作出的重大戰(zhàn)略決策。全民治水攻堅(jiān)戰(zhàn)已經(jīng)在浙江大地全面打響，東陽(yáng)市2015年投入巨資用于“五水共治”，首批建設(shè)項(xiàng)目達(dá)108個(gè)，總投資約28.37億元，取得了良好的成效，但是，治水作為一項(xiàng)投入大、涉及面廣的系統(tǒng)工程，擺在我們面前的，還有大量工作要做。東陽(yáng)市共有11座國(guó)家基本水文測(cè)站， 9個(gè)雨量站，2個(gè)水位站，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要采用人工分析方法，工序復(fù)雜、既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，又無(wú)法對(duì)水樣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確反映水質(zhì)的情況。同時(shí)對(duì)于大量生活污水、農(nóng)田排水或工業(yè)廢水的偷排、漏排的現(xiàn)象除了排查方式，平時(shí)更多的還是依賴群眾監(jiān)督和舉報(bào)的形式，監(jiān)督機(jī)制不夠完善，不夠系統(tǒng)，嚴(yán)重影響“五水共治”的工作實(shí)施與進(jìn)度，本課題將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于水文信息監(jiān)測(cè)，應(yīng)用于東陽(yáng)市“五水共治”工作部署，解決傳統(tǒng)的觀測(cè)點(diǎn)少、數(shù)據(jù)采集慢、傳輸不可靠，反饋不及時(shí)等缺點(diǎn)的有效辦法，尤其針對(duì)此次治水范圍之廣，涉及縣市、偏遠(yuǎn)山村或地區(qū)，成為一種最優(yōu)的選擇。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱WSN）部署設(shè)置簡(jiǎn)單、成本便宜、電池長(zhǎng)期使用，不需要頻繁更換、人力上無(wú)需派專員現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。本課題就無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于東陽(yáng)的“五水共治”工作價(jià)值進(jìn)行分析，并嘗試構(gòu)想基ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外：

美國(guó)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要成就有：2002年，Intel研究伯克利中心實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院聯(lián)合在大鴨島部署了43個(gè)節(jié)點(diǎn)，開(kāi)展環(huán)境監(jiān)測(cè)，分別對(duì)光、溫度、濕度、氣壓力和紅外等要素信息無(wú)侵?jǐn)_觀測(cè)，經(jīng)衛(wèi)星傳至服務(wù)器分析以研究海燕島上的筑巢行為。

2004 年，美國(guó)將WSN 節(jié)點(diǎn)用于了河流監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)河流周圍土壤中水分含量，依靠溫度、濕度傳感器，為河流生態(tài)圈提供研究數(shù)據(jù)。

2005年，美國(guó)哈佛大學(xué)Mate Wel研究小組，設(shè)置WSN監(jiān)測(cè)站，通過(guò)節(jié)點(diǎn)采集次聲波數(shù)據(jù)，為火山監(jiān)測(cè)降低試驗(yàn)危險(xiǎn)性同時(shí)，提高可靠性及可控性。

除美國(guó)以外，英國(guó)、日本等國(guó)家，也陸續(xù)展開(kāi)了關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究工作。

國(guó)內(nèi)：

2002 年中國(guó)科學(xué)院率先開(kāi)始了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，截至去年，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)立項(xiàng)3項(xiàng)、“863”支持30余項(xiàng)、“973”也設(shè)立2項(xiàng)目、“中國(guó)未來(lái)20年技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究”針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)立項(xiàng)達(dá)7項(xiàng)之多。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校，也投入了相當(dāng)力量，將大大推進(jìn)WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。

2007年11月，中國(guó)科學(xué)院布設(shè)“智能塵?！本W(wǎng)絡(luò)，開(kāi)展“基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)冰雪環(huán)境連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)”研究項(xiàng)目，遙控監(jiān)測(cè)北京冰雪變化結(jié)合南極冰雪數(shù)據(jù)，對(duì)南極開(kāi)展“天地一體化”監(jiān)測(cè)研究。

2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概念及其實(shí)際應(yīng)用

2.1無(wú)線傳感器技術(shù)概念

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是綜合微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等涉及多學(xué)科，交叉集成前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，實(shí)現(xiàn)與物理世界、計(jì)算機(jī)世界的互通互聯(lián)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。任意分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳中繼方式傳遞信息，以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，w信息首先傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單位處理，再通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)通訊方式最終傳送到管理節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。通常用戶發(fā)布命令是可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)告知傳感器節(jié)點(diǎn)收集監(jiān)測(cè)信息。圖1給出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖。

2.2 無(wú)線傳感器的應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集合了信息采集、存儲(chǔ)、傳輸與處理功能，是一種綜合智能信息系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活方便、費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、體積小而，被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市交通、醫(yī)療救助等領(lǐng)域，具有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及重要應(yīng)用價(jià)值。

2.2.1 軍事應(yīng)用

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)源于軍事領(lǐng)域，具備快速部署、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)軍事陣地等多場(chǎng)合下準(zhǔn)確和全面地獲取監(jiān)測(cè)信息，對(duì)國(guó)防安全具有一定意義。

2.2.2 醫(yī)療應(yīng)用

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)所具備的自組織、對(duì)周圍的高感知能力，因而在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前量，人們可以享受更方便、更舒適醫(yī)療服務(wù)。美國(guó)Intel研制家庭護(hù)理項(xiàng)目，應(yīng)對(duì)老齡化社會(huì)技術(shù)重要內(nèi)容。在SSIM項(xiàng)目中，幫助盲人獲得一定程度的視覺(jué)，將100個(gè)微型傳感器植入病人眼中。

2.2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，發(fā)揮著重要作用。通過(guò)對(duì)土壤空氣、海洋成分、氣象地理研究監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌控環(huán)境指數(shù)變更情況； 通過(guò)跟蹤珍稀鳥(niǎo)類、動(dòng)物和昆蟲(chóng)的遷移，進(jìn)行瀕危種群的研究。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于一些其他領(lǐng)域，如用在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，改善運(yùn)作條件；用于危險(xiǎn)工業(yè)環(huán)境，實(shí)施安全監(jiān)測(cè)；用在農(nóng)業(yè)灌溉、空間探密、智能家居等多方面。

3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在東陽(yáng)市“五水共治”中應(yīng)用價(jià)值分析

3.1價(jià)值分析

東陽(yáng)市水利系統(tǒng)將積極營(yíng)造“人人都是治水員、處處都是主陣地、場(chǎng)場(chǎng)都是攻堅(jiān)戰(zhàn)”的濃厚氛圍， “五水共治”任務(wù)艱巨，涉及面廣，投入巨大，長(zhǎng)期持久。

分析水文信息采集具有監(jiān)測(cè)面積覆蓋廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多、環(huán)境或危險(xiǎn)或惡劣等特點(diǎn)。如果采用傳統(tǒng)人工方式，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，工作效率低；如采用有線傳輸方式，又存在布線困難、成本過(guò)高、維護(hù)不便等缺點(diǎn)；如采用移動(dòng)通訊網(wǎng)、GPRS或藍(lán)牙技術(shù)的方式，又存在著功耗大，成本高等缺陷。因此，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)既經(jīng)濟(jì)又具實(shí)效，易操作。

從作用效果而言：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)應(yīng)用，無(wú)論在防洪、排澇還是在污水排放治理方面，提供了先進(jìn)的技術(shù)，信息化的操作，起到一個(gè)積極的監(jiān)測(cè)及監(jiān)管作用，彌補(bǔ)人工方式的缺陷，確保全市的五水共治順利展開(kāi)，是工作實(shí)施的有效手段。

從可操作性而言：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)實(shí)施，原理較簡(jiǎn)單，成本低，不依賴固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持，易于實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的可操作性。

3.2應(yīng)用實(shí)施

分析水文信息采集具有監(jiān)測(cè)面積覆蓋廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多、環(huán)境或危險(xiǎn)或惡劣等特點(diǎn)。本課題從設(shè)備可靠性、可擴(kuò)展性、搞干擾性、復(fù)雜程度、功耗以及成本等方面提出以下問(wèn)題：

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面

基于河流的特性，采用ZigBee技術(shù)，構(gòu)建樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，包括管理節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織形式形成網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)采集水位、雨量、溫度等水文信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊方式將數(shù)據(jù)信息傳遞到管理節(jié)點(diǎn)，以待處理與分析等系列操作。

3.2.2 能量控制方面

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的限制，在軟硬件的設(shè)計(jì)中，傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗的設(shè)計(jì)應(yīng)是我們首要考慮的因素。太陽(yáng)能源的有效利用將作為首先。

3.2.3 采集傳輸方面

在水文信息采集技術(shù)中可分為觸發(fā)式采集和定時(shí)采集。觸發(fā)式采集設(shè)置觸發(fā)條件，由管理節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令，來(lái)控制傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；定時(shí)采集是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)具體情況如汛期靈活配置設(shè)定周期來(lái)采集水文信息，以達(dá)到有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)功耗的作用。

3.2.4 可靠安全方面

系統(tǒng)性能主要包括電路工作、程序運(yùn)行、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕约斑m應(yīng)野外晝夜差、抗雷擊、抗電磁干擾能力等多方面內(nèi)容。

3.3 應(yīng)用對(duì)策

針對(duì)“五水共治”中的“治污水”、“防洪水”、“排澇水”、“保供水”、“抓節(jié)水”，對(duì)象都是水，但所偏重的內(nèi)容不同，工作重心不同，監(jiān)測(cè)所關(guān)注的問(wèn)題和指標(biāo)不同，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)、軟件設(shè)計(jì)和協(xié)議棧的選擇就必然有很大的差別。

3.3.1 要有針對(duì)性

此次五水共治，涉及面廣，影響因素很多，執(zhí)行和執(zhí)法場(chǎng)所有所不同，可能是企業(yè)單位、村莊養(yǎng)殖場(chǎng)所，也可能是居民小區(qū)，因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)功能、成本及節(jié)點(diǎn)體積。針對(duì)各縣區(qū)的集中問(wèn)題，可推出重點(diǎn)工程，如污水監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和防洪防汛無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.3.2 要考慮經(jīng)濟(jì)因素

而對(duì)于是污水還是洪水，面對(duì)的監(jiān)測(cè)對(duì)象，監(jiān)測(cè)指標(biāo)不同，環(huán)境不同。具體核心芯片及元器件的型號(hào)應(yīng)選用市場(chǎng)較常見(jiàn)，在兼顧可靠性和經(jīng)濟(jì)性，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，價(jià)格也越便宜，對(duì)于后期維護(hù)理越經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易操作，具備較高性價(jià)比。

3.3.3 要政策扶持和技術(shù)支持

雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備成本低，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，但也需要相關(guān)的技術(shù)和人才支持，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中，可能出現(xiàn)的問(wèn)題，諸如數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題、數(shù)據(jù)安全問(wèn)題、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的自適應(yīng)問(wèn)題等，都需要專業(yè)人士的維護(hù)。因此需要相關(guān)政策扶持，進(jìn)行人才引進(jìn)和相關(guān)技術(shù)部門的組建。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉瑞玲，李祥林.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用綜述[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，6（12）：3093-3094.

[2] 趙翔宇.ZIGBEE無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].太原理工大學(xué)，2011.

[3] 劉芯.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程水文信息監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].新疆大學(xué)，2011.

[4] 朱文平，張耀南，羅立輝.生態(tài)水文中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].冰川凍土，2011（6）.

[5] 黃曉.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].南京郵電大學(xué)，2011.

[6] Vlado H， Joseph P，Jan-Hinrich H.TinyOS hardware adstraction architecture[EB/OL].http：//www.tinyos.net/tinyos-2.1.0/doc/html/tep2.html，2011.

[6] 馬龍泉.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D].江南大學(xué)，2012.