初探環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

曹俊慧

【摘? 要】隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們的環(huán)境意識不斷增強(qiáng)，使得越來越多的機(jī)構(gòu)將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感技術(shù)的應(yīng)用作物一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。通過在環(huán)境監(jiān)測空間內(nèi)布置一定量的傳感器節(jié)點(diǎn)，在無線網(wǎng)絡(luò)作業(yè)下，實(shí)現(xiàn)對感知對象相關(guān)采集和傳輸，相對于傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測措施來說，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，有效提高系統(tǒng)性能，體現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢。本文根據(jù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)自身架構(gòu)，闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在典型應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新構(gòu)建方案，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的良好發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);無線傳感器網(wǎng)絡(luò);系統(tǒng)架構(gòu)

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的價(jià)值

1.為網(wǎng)絡(luò)的組織性提供優(yōu)質(zhì)且快捷的網(wǎng)絡(luò)活動

網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)性是利用其快捷掌握信息的優(yōu)勢，對無線傳感進(jìn)行快速的部署，優(yōu)化配置資源。

2.信息采集數(shù)據(jù)利用路由傳輸

利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)的優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)零耗損的基礎(chǔ)下，將整體結(jié)構(gòu)提高到一個(gè)更高的等級層次。

3.網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)有力性、抵御摧毀性特定應(yīng)用需要

網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的感染性，網(wǎng)絡(luò)的遍布和迅速發(fā)展，使人類在生產(chǎn)生活中，對信息的要求越來越高，近年來國內(nèi)外的從事相關(guān)行業(yè)的學(xué)者，紛紛對其作出實(shí)驗(yàn)研究，也相應(yīng)的得到很大的進(jìn)展。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究

1.能量管理

應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般都采用電池供電，要求頻繁更換電池或者頻繁充電是不太現(xiàn)實(shí)的，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能量消耗是一個(gè)需要十分仔細(xì)考慮的問題。節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量的最主要方式是休眠機(jī)制。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計(jì)算模塊以節(jié)省能量。這樣，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)，只有與之相鄰的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動狀態(tài)，從而形成一個(gè)活動區(qū)域。活動區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送而移動，這樣原先活動的節(jié)點(diǎn)在離開活動區(qū)域后可以轉(zhuǎn)到休眠模式從而節(jié)省能量。另外，節(jié)點(diǎn)間也可以通過“輪換值班”來減少能量消耗。這些節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，只是周期性蘇醒過來發(fā)送數(shù)據(jù)或者檢測信道的狀態(tài)，以確定是否有屬于自己的消息，但這種機(jī)制要求應(yīng)用設(shè)計(jì)者在電池消耗和消息延遲之間做出權(quán)衡。

2.定位技術(shù)

位置信息是傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)中不可缺少的部分，沒有位置信息的監(jiān)測消息通常毫無意義。確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。為了提供有效的位置信息，隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)必須能夠在布置后確定自身位置。根據(jù)定位過程中是否實(shí)際測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度，把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位分類為基于距離的定位和距離無關(guān)的定位。其中基于距離的定位分為基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等。距離無關(guān)的定位機(jī)制主要有質(zhì)心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法等。由于距離無關(guān)定位機(jī)制對節(jié)點(diǎn)的硬件要求較低，并且受環(huán)境因素的影響較小，雖然定位誤差相應(yīng)有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求，是目前大家重點(diǎn)關(guān)注的定位機(jī)制。

3.數(shù)據(jù)融合技術(shù)

環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的最終目標(biāo)是對監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)收集。采樣頻率和精度由具體應(yīng)用確定，并由控制中心向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出指令。對于傳感器節(jié)點(diǎn)來說，需要考慮采樣數(shù)據(jù)量和能量消耗之間的折中。處于監(jiān)控區(qū)域邊緣的節(jié)點(diǎn)由于只需要將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，能量消耗相對較少，而靠近基站的節(jié)點(diǎn)由于同時(shí)還需要為邊緣節(jié)點(diǎn)路由數(shù)據(jù)，消耗的能量要多2個(gè)數(shù)量級左右。因此，邊緣節(jié)點(diǎn)必須對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的壓縮和融合處理后再發(fā)送給基站。Intel實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中使用了標(biāo)準(zhǔn)的Huffman算法和Lempel-Ziv算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，使得數(shù)據(jù)通信量減少了2～4個(gè)數(shù)量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機(jī)制的有損算法進(jìn)一步處理，還可以獲得更好的壓縮效果。

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

1.礦井環(huán)境監(jiān)測

對于煤礦企業(yè)而言，安全探測是十分重要的，特別是在需求量持續(xù)增長的前提下，在長期的開發(fā)與使用中，煤礦探測的安全問題愈發(fā)的引起了人們的重視。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持下，可以很好的實(shí)現(xiàn)低成本的探測需求，并且可以在一定程度上提高礦井作業(yè)的安全屬性。特別是Zig Bee技術(shù)的應(yīng)用與推廣，可以滿足人們對于井下監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、安全分析等綜合需求。在近年來，技術(shù)人員將Zig Bee技術(shù)進(jìn)行了細(xì)化和拓展，可以幫助人們直觀的了解到井下的作業(yè)情況，這對于安全、高效作業(yè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了較大的支持。

2.軍事環(huán)境監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和容錯性高的特點(diǎn)，因此非常適合在軍事領(lǐng)域應(yīng)用，也是軍事指揮、控制、通信、計(jì)算、情報(bào)、監(jiān)視、偵察與目標(biāo)捕獲系統(tǒng)的重要組成部分。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)視，目標(biāo)定位，戰(zhàn)場評估，核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測和搜索等功能，目前國際許多機(jī)構(gòu)的課題都是以戰(zhàn)場需求為背景展開的。信息技術(shù)必然是未來戰(zhàn)爭取勝的關(guān)鍵，目前已然有許多國家將該技術(shù)與軍事研究相結(jié)合，幫助己方及時(shí)的獲取對方的各項(xiàng)信息，從而及時(shí)的進(jìn)行戰(zhàn)略的調(diào)整。

3.自然環(huán)境監(jiān)測

（1）大氣環(huán)境監(jiān)測

將無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)測大氣環(huán)境，主要需要兩部分的支持，分別是設(shè)備和相應(yīng)的程序支持。設(shè)備包括一是傳感器節(jié)點(diǎn)，主要是用于大氣技術(shù)參數(shù)的監(jiān)測和收集，還有相配套的放大電路;二是Sink節(jié)點(diǎn)，用來匯總數(shù)據(jù)及向基站傳輸數(shù)據(jù);三是服務(wù)器，這其中需要兩個(gè)服務(wù)，一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸。相應(yīng)程序也就軟件主要是由用于數(shù)據(jù)收集、處理和傳輸?shù)南嚓P(guān)模塊組成，通常有串口通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能模塊。它的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單方便、布局靈活、維護(hù)容易、成本低。

（2）水環(huán)境監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從功能上可以將水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分成三級。第一級是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心構(gòu)造的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及測試儀構(gòu)成;第二級是Zig Bee/GPRS網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)程發(fā)送，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)控制命令的發(fā)送;第三級是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理分析和控制命令決策。在整個(gè)水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專注于探測和收集水環(huán)境的信息;而復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和存儲等則交給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心來完成。主要包括以動態(tài)曲線的方式實(shí)現(xiàn)傳感器信息的在線監(jiān)測和大量水質(zhì)數(shù)據(jù)的存儲。

（3）地質(zhì)監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地質(zhì)監(jiān)測方面也有很廣泛的應(yīng)用。對于部分地質(zhì)較為特殊的區(qū)域而言，有效的地質(zhì)檢測可以很好的促進(jìn)該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如凍土環(huán)境下的交通設(shè)施建設(shè)，在人力無法實(shí)現(xiàn)的前提下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則可以很好的實(shí)現(xiàn)。尤著宏等基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的青藏鐵路溫度監(jiān)測系統(tǒng)，采用多跳的方式將數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點(diǎn)傳輸至轉(zhuǎn)發(fā)基站上的匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心。

結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)雖然發(fā)展迅速，但是也存在很多問題，制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的因素很多，包括節(jié)點(diǎn)功耗、傳輸網(wǎng)絡(luò)、工作環(huán)境、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、成本及容錯等，在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其建設(shè)成本低、監(jiān)測精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，推廣使用方便。有助于解決當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測中布線困難、實(shí)時(shí)性差等問題，有利于環(huán)境管理和決策。

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