無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

高 俊 / 南京杰思爾設(shè)備工程有限公司

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

高 俊 / 南京杰思爾設(shè)備工程有限公司

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用至社會生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)末梢的傳感器主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)通訊，并對外界環(huán)境進(jìn)行感知與檢查，主要是用于軍事環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、自然環(huán)境監(jiān)測、礦井環(huán)境監(jiān)測等多個方面。本文將結(jié)合實際情況對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行分析，旨在為環(huán)境監(jiān)測工作提供行之有效的參考依據(jù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測；有效應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是由傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程客戶端和PDA用戶、監(jiān)控中心這四個部分構(gòu)成，在環(huán)境監(jiān)測工作中被廣泛應(yīng)用。通過利用傳感器監(jiān)測指定環(huán)境的參數(shù)，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)將參數(shù)信息發(fā)送至控制中心實現(xiàn)監(jiān)測，監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)會通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，有效提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量及效率，同時降低了監(jiān)測成本。本文將結(jié)合實際情況對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以期為今后的相關(guān)工作提供寶貴經(jīng)驗。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是具備感知、檢查外部環(huán)境的傳感器。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器主要是借助無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置較為靈活，設(shè)備位置了可以隨意更改，還可以與互聯(lián)網(wǎng)通過有線或無線進(jìn)行連接，而利用無線通信方式進(jìn)行連接則可以形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，具有較強的便利性。通常情況下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由各個傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)建，存在集中式控制結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)，在分布式結(jié)構(gòu)中根據(jù)節(jié)點的數(shù)量進(jìn)行劃分又可以對等式結(jié)構(gòu)與分層結(jié)構(gòu)[1]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點主要適用于測量節(jié)點所在區(qū)域的各項環(huán)境指標(biāo)，如溫度、濕度、壓力、光強等方面指標(biāo)，在獲取這些參數(shù)后通過無線通訊的方式經(jīng)由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心；網(wǎng)關(guān)的作用主要是將傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet進(jìn)行連接，使兩種不同的協(xié)議棧之間可以相互轉(zhuǎn)換并將收集而來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外網(wǎng)，同時將接下來需要進(jìn)行的任務(wù)分布給末梢傳感器節(jié)點；遠(yuǎn)程客戶端和PDA用戶可以借助Internet對監(jiān)控中心中有關(guān)環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，獲取需求數(shù)據(jù)；監(jiān)控中心負(fù)責(zé)向末梢傳感器節(jié)點下達(dá)工作任務(wù)，兼具分析、處理、統(tǒng)計、評估等功能。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個環(huán)節(jié)以及應(yīng)用方式逐漸完善，被廣泛應(yīng)用至環(huán)境監(jiān)測中。通過將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測中，有效提高了環(huán)境監(jiān)測的工作質(zhì)量及效率，采集數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性也得到有效提高。在實際應(yīng)用過程中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要具有以下三方面優(yōu)勢：第一，成本較低。由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為開放，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境條件，促使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成自組性特點，實現(xiàn)部署網(wǎng)絡(luò)較為迅速，有助于提高環(huán)境監(jiān)測工作效率。第二，現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)指標(biāo)的采集工作可以通過傳感器節(jié)點來完成，在完成采集工作后可以利用中間節(jié)點進(jìn)行傳送，在不需要額外做功、增加成本的基礎(chǔ)上，有效提高系統(tǒng)性能。第三，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有健壯性、抗毀性特點，滿足特定應(yīng)用的需求。因此，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用至環(huán)境監(jiān)測中有助于提高監(jiān)測工作質(zhì)量及效率，是時代發(fā)展的一種必然趨勢[2]。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

（一）軍事環(huán)境監(jiān)測

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速部署、自組性強、隱蔽性較強等特點，被應(yīng)用于軍事環(huán)境監(jiān)測中，是軍事指揮、控制、計算等系統(tǒng)的重要組成部分，對促進(jìn)我國軍事發(fā)展具有重要意義。在軍事環(huán)境監(jiān)測的過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會被用于監(jiān)控敵軍兵力、裝備，目標(biāo)定位等方面，同時具備監(jiān)測核武器攻擊、搜索等功能，及時獲取戰(zhàn)場中的戰(zhàn)況信息，為軍事行動的順利進(jìn)行創(chuàng)造有利條件[3]。在應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，軍事人員不需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行額外的基礎(chǔ)設(shè)計，自組性、自配置特點可以自動適應(yīng)設(shè)備的實際狀態(tài)，通過對傳感器節(jié)點進(jìn)行移動就可對任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)需求做出及時的反應(yīng)，改變了傳統(tǒng)戰(zhàn)場的作戰(zhàn)方式。例如美國俄亥俄州開發(fā)研究的“沙地直線”就屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在軍事環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，這一系統(tǒng)可以在戰(zhàn)場中將電子絆網(wǎng)散射而出，對戰(zhàn)場中具有高金屬含量目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，主要使用于偵察、定位敵軍車輛。

（二）地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測

在地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了較為普遍的應(yīng)用。隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，鐵路、公路的建設(shè)區(qū)域逐漸擴大，而在特殊區(qū)域內(nèi)建設(shè)而成的鐵路、公路通常會受到地質(zhì)環(huán)境因素的影響，產(chǎn)生一系列變化，對交通運輸造成嚴(yán)重威脅，這就需要相關(guān)工作人員在工作過程中對特殊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，以保證車輛安全。然而這些特殊地質(zhì)環(huán)境通常處于無人區(qū)，無法通過人力對地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有效解決了這一問題，利用傳感器節(jié)點對鐵路、公路周圍的地質(zhì)環(huán)境信息、溫度等進(jìn)行收集，然后傳輸至監(jiān)控中心進(jìn)行分析，及時掌握特殊地質(zhì)環(huán)境下鐵路、公路的實際情況，為車輛的正常運輸、行駛提供有力保障[4]。

（三）自然環(huán)境監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在自然環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用主要可以分為兩部分：第一，水環(huán)境監(jiān)測。通過將集成有傳感器、計算單元、通信模塊的節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助于節(jié)點中內(nèi)置的多種傳感器對周圍環(huán)境中的熱、紅外光、可見光、水中有毒物質(zhì)含量等信號進(jìn)行監(jiān)測，具有部署簡便、成本低、等特點。通過將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與軟測量、智能處理技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對濕地水環(huán)境質(zhì)量的遠(yuǎn)程實時動態(tài)監(jiān)控，充分掌握指定水域內(nèi)的實際情況，有效提高了水環(huán)境的監(jiān)測質(zhì)量及效率，監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性也得到了有效保證。第二，大氣環(huán)境監(jiān)測。大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計而成的。傳統(tǒng)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中存在著系統(tǒng)較大、安裝困難等弊端，且監(jiān)測終端過于依靠基礎(chǔ)設(shè)施，在一定程度上降低了大氣環(huán)境監(jiān)測的工作效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用改變了這一現(xiàn)狀，僅需要借助數(shù)據(jù)節(jié)點采集的風(fēng)向、風(fēng)速、氣體濃度等參數(shù)信息就可以實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)大氣的監(jiān)測，而根據(jù)這些監(jiān)測信息無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確判斷大氣中是否含有有毒氣體，在有效提高了工作質(zhì)量及效率的同時，為人們的生命安全提供有力保障[5]。

（四）礦井環(huán)境監(jiān)測

礦井開采工程是我國進(jìn)行資源開采的一項重要工程，然而在開采過程中通常會受到環(huán)境的影響而發(fā)生一系列安全事故，因此礦井井下的環(huán)境監(jiān)測工作顯得尤為重要，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的ZigBee技術(shù)的應(yīng)用有效提高了礦井環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量。通過對這一技術(shù)進(jìn)行研究，科研人員在ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起礦井安全生產(chǎn)檢測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)工礦傳感，具備人員定位、安全警告等功能。通過將這一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用至開采工作中，有助于管理人員及時掌握礦井下的真實情況，以及各個區(qū)域工作人員的工作狀態(tài)，利用網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息、畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛嬗嬎銠C系統(tǒng)中，而管理人員則可以通過計算機系統(tǒng)準(zhǔn)確的掌握工作人員的工作信息、分布情況、運動軌跡，為管理人員的管理工作提供便利。

四、結(jié)束語

綜上所述，雖然當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在科學(xué)技術(shù)的推動下，呈現(xiàn)出較為良好的發(fā)展趨勢，但是在實際監(jiān)測的過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中仍然存在一些問題，影響著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，節(jié)點功耗、傳輸網(wǎng)絡(luò)、工作環(huán)境等均是設(shè)計需要考慮的重要問題，同時也是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)注意結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、監(jiān)測環(huán)境等多方面因素進(jìn)行設(shè)計，有效提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量。

魏兆寶.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].民營科技,2016(3):85.

[2]周麗軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[D].安徽理工大學(xué),2016.

[3]熊麗萍,楊成余.基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].科技信息,2014(4):294,299.

[4]王艷平,馮世杰,羅海峰等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室草莓生長環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].北方園藝,2015(20):201-204.

[5]馬悅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在近海環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].大連海事大學(xué),2014.