基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究

＊曹桂榮 任英浩

（1.山東省東營生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 山東 257091 2.東營市危險(xiǎn)廢物與輻射安全管理中心 山東 257091）

引言

在過去幾十年的發(fā)展中，我國在加快社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)，促進(jìn)各行企業(yè)發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)生了一系列環(huán)境污染，資源浪費(fèi)問題?，F(xiàn)階段，為了我國進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)的過程中，越來越重視環(huán)境問題以及資源問題，基于當(dāng)前以環(huán)境保護(hù)與綠色生產(chǎn)為導(dǎo)向的發(fā)展戰(zhàn)略中，大力推進(jìn)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用是非常有價(jià)值的。而現(xiàn)階段，在開展環(huán)境治理與環(huán)境保護(hù)等相關(guān)工作的過程中，越來越追求信息化與效率化。

1.研究的背景及意義

環(huán)境監(jiān)測一直是開展環(huán)境治理以及推進(jìn)后續(xù)環(huán)境保護(hù)措施的基礎(chǔ)。通過環(huán)境監(jiān)測，我們可以根據(jù)各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)，系統(tǒng)性地評判一個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量。在現(xiàn)代的環(huán)境監(jiān)測中，所涉及到的監(jiān)測項(xiàng)目是豐富而多樣的，包括水環(huán)境的水溫，pH，懸浮物，硬度，COD，BOD，各類重金屬離子的濃度等?；诓煌h(huán)境類型，進(jìn)行環(huán)境評判的過程中所需要采取的環(huán)境模型也有所差異，因此為了有效地控制一個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量，針對性地采取優(yōu)化與治理措施，就需要通過環(huán)境監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行大量的環(huán)境指標(biāo)采集。包括水環(huán)境，土壤條件，生態(tài)環(huán)境等多項(xiàng)內(nèi)容。借助信息化的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，不僅能保障監(jiān)測指標(biāo)的精確性，同時(shí)能夠極大地提升環(huán)境監(jiān)測的效率，從而為后續(xù)的環(huán)境評估打下基礎(chǔ)。以大量精確的各類實(shí)時(shí)環(huán)境指標(biāo)為基礎(chǔ)，就可以借助現(xiàn)代環(huán)境治理的相關(guān)知識(shí)，針對不同的環(huán)境類型，構(gòu)建相應(yīng)的環(huán)境模型，從而推測污染物的來源及數(shù)量，從而進(jìn)一步進(jìn)行科學(xué)的定量計(jì)算，以便于后續(xù)環(huán)境治理工作的開展。

當(dāng)前生態(tài)治理與環(huán)境保護(hù)越發(fā)講究學(xué)科的交叉與結(jié)合，在現(xiàn)代的環(huán)境評估過程中大量地加入了信息化技術(shù)，以簡化計(jì)算，從而有效地利用監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的發(fā)展方向逐步從過去的人為制定的環(huán)境治理模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐原h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，環(huán)境治理知識(shí)為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)化與科學(xué)化環(huán)境治理。而推動(dòng)信息化環(huán)境治理的關(guān)鍵內(nèi)容就是推進(jìn)信息技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，不僅是通信技術(shù)與環(huán)境治理工作結(jié)合的出發(fā)點(diǎn)，也是構(gòu)筑數(shù)據(jù)化環(huán)境治理模式的關(guān)鍵。可以說，現(xiàn)階段基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用廣度，直接決定著后續(xù)環(huán)境治理技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)境治理技術(shù)的提升。而對于我國這樣一個(gè)環(huán)境污染問題嚴(yán)重，環(huán)境類型復(fù)雜，環(huán)境治理難度極高的特點(diǎn)下，加強(qiáng)對應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用，是后續(xù)環(huán)境治理技術(shù)提升，以及環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略落實(shí)的關(guān)鍵。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基于各國的發(fā)展歷程來看，由于國外率先開展工業(yè)革命，在早期的工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛存在著先污染后治理的過程，因此基于這一背景，國外對應(yīng)環(huán)境污染，生態(tài)破壞等問題的意識(shí)較強(qiáng)，并且在多年來的發(fā)展過程中其相應(yīng)的環(huán)境治理技術(shù)也較為先進(jìn)。早在20世紀(jì)中期，美國和日本等發(fā)達(dá)國家，就率先實(shí)現(xiàn)了對于湖泊，河道等地表水環(huán)境的自動(dòng)在線監(jiān)測。隨后，美國，日本及歐洲各國，也先后開展了信息化水質(zhì)檢測的研究。步入21世紀(jì)后，隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)的提升，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的智能化程度不斷提高，國外的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)日益成熟，并在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域取得了一系列成就。例如，全國海洋監(jiān)測系統(tǒng)GOOS，可以對較大范圍的水域進(jìn)行不同深度的監(jiān)測。澳大利亞的LakeNet系統(tǒng)，以及2006年建成的英國特倫特河預(yù)警系統(tǒng)等。這些環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，正是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用成果，并在后續(xù)的環(huán)境治理工作中發(fā)揮了重要作用。

我國對應(yīng)基于傳感器技術(shù)，通信技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用的研究始于20世紀(jì)八十年代，相較于國外環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展較為落后。在1988年，天津從瑞士BBC河英國Kent公司引進(jìn)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。我國的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在早期階段的主要特點(diǎn)為，研究技術(shù)落后，采用設(shè)備多為進(jìn)口，自主研發(fā)能力不足等特點(diǎn)。而由于環(huán)境監(jiān)測設(shè)備多為國外引進(jìn)這一缺陷，導(dǎo)致我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展依賴性較強(qiáng)，同時(shí)由于國內(nèi)外環(huán)境類型的差異，使得基于國內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境類型，不適合應(yīng)用國外較為精密的監(jiān)測儀器，因此在我國早期環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用過程中，雖然進(jìn)行了大量的資金與人力投入，但所取得的成效較為淺薄，這也是當(dāng)前階段我國環(huán)境治理技術(shù)發(fā)展落后的原因之一。在當(dāng)前階段，隨著我國通信技術(shù)，及計(jì)算機(jī)技術(shù)等硬件技術(shù)的不斷發(fā)展與壯大，同時(shí)我國對于環(huán)境治理的重視程度也不斷提升，從而使得當(dāng)前階段我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)得到了巨大發(fā)展。但從整體上看，我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與環(huán)境治理技術(shù)與國外還存在著不小差距，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)一步研究與應(yīng)用仍然十分迫切。

3.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)原理及核心

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的核心內(nèi)容就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括三類節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器，路由器和無線傳感節(jié)點(diǎn)。其主要工作原理如下：（1）在接通電源后，由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)。（2）路由器和無線傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。（3）無線傳感器節(jié)點(diǎn)開設(shè)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)?；跓o線傳感器的工作原理及主要組成部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備以下特點(diǎn)：（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，分布不規(guī)范。（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器具有自動(dòng)組我能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器間的能量消耗最少。（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間通過數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能?？梢姡瑹o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)由協(xié)調(diào)器，路由器和無線傳感節(jié)點(diǎn)三類節(jié)點(diǎn)所組成的統(tǒng)一整體，在各部分的獨(dú)立工作與協(xié)調(diào)配合中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有較高的穩(wěn)定性與較好的協(xié)調(diào)性，從而保障了網(wǎng)絡(luò)整體的質(zhì)量。此外，除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部工作機(jī)理，針對環(huán)境監(jiān)測工作的各項(xiàng)內(nèi)容及環(huán)境監(jiān)測的要求，為了進(jìn)一步達(dá)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的目的，需要進(jìn)一步提升傳感器等設(shè)備的硬件功效。例如，在實(shí)際的監(jiān)測過程中需要監(jiān)測的環(huán)境指標(biāo)較為豐富，涉及到的監(jiān)測環(huán)境較為復(fù)雜，對應(yīng)傳感器的質(zhì)量要求也更為嚴(yán)苛。例如對于不同程度污染的水源，為防止因傳感器遭到污染水源的化學(xué)腐蝕或其他因素的影響，需要制備傳感器的材料及工藝都采用一定特殊處理，從而保障信息采集的穩(wěn)定性。

綜上，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，其核心內(nèi)容是無線傳感器整體在其自身的三個(gè)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)作用下，所形成的工作機(jī)制，從而保障了無線傳感器所構(gòu)筑的整體網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。而在環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展中，正是應(yīng)用無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了以傳感器為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測工作。在實(shí)際的環(huán)境監(jiān)測工作中，除了保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還需要保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的全面，基于不同的環(huán)境類型，所需要采集的環(huán)境指標(biāo)及相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)也不同，而受不同環(huán)境因素的影響，對應(yīng)傳感器等設(shè)備的硬件要求也不同，因此在發(fā)展與推廣基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)過程中，需要結(jié)合不同地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，構(gòu)筑不同的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境監(jiān)測需求，同時(shí)最大程度上優(yōu)化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的利用率，從而提升環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際效益，從而進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

4.環(huán)境監(jiān)測技術(shù)面臨的后續(xù)發(fā)展與挑戰(zhàn)

隨著今后通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)將更加成熟，在實(shí)際的環(huán)境監(jiān)測工作中所采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)的效率，以及傳授數(shù)據(jù)的效率將進(jìn)一步得到提升。例如在當(dāng)前階段由美國所設(shè)計(jì)的CC2530無線模塊，進(jìn)一步提升的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力。由加州大學(xué)伯克利分校的研發(fā)人員所開發(fā)的Tinyos操作系統(tǒng)，則是從無線傳感器模式上進(jìn)行優(yōu)化，從而大幅地提升了數(shù)據(jù)采集及處理的效率。在今后的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展過程中，環(huán)境監(jiān)測將朝著信息化與智能化的方向進(jìn)一步發(fā)展，所需要借助通訊技術(shù)與科學(xué)技術(shù)的內(nèi)容更加豐富。因此在未來階段基于我國當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境問題，在進(jìn)一步發(fā)展環(huán)境監(jiān)測技術(shù)以實(shí)現(xiàn)環(huán)境治理技術(shù)達(dá)成質(zhì)的飛躍非常關(guān)鍵。在進(jìn)一步加強(qiáng)對于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研發(fā)，提升對應(yīng)環(huán)境保護(hù)技術(shù)研發(fā)的投入以外，還需要進(jìn)一步促進(jìn)通訊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，未來的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及環(huán)境治理工作是離不開信息化技術(shù)的，只有把握信息化技術(shù)的命脈才能從根本上保障環(huán)境治理技術(shù)的發(fā)展。

5.結(jié)束語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是通訊技術(shù)與環(huán)境治理內(nèi)容相結(jié)合的具體表現(xiàn)。而環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，不僅是通訊技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境治理工作中的出發(fā)點(diǎn)與著手點(diǎn)，同時(shí)也是保障后續(xù)環(huán)境治理工作進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)。只有從環(huán)境監(jiān)測技術(shù)上實(shí)現(xiàn)信息化與數(shù)據(jù)化，才能進(jìn)一步促進(jìn)智能化的環(huán)境治理。在當(dāng)前我國嚴(yán)峻的環(huán)境問題背景下，我國的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及環(huán)境治理技術(shù)與國外還存在著大量差距，雖然基于當(dāng)前階段，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一模塊的通訊技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)完備，但對應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境監(jiān)測工作的結(jié)合，以及實(shí)際環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建還存在著一系列問題。當(dāng)前階段，我國需要逐步擺脫國外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的依賴，掌握核心的系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)，從而結(jié)合我國獨(dú)特的環(huán)境類型研發(fā)相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)一步發(fā)展通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，并將這類信息化技術(shù)更多地應(yīng)用于環(huán)境治理工作中，才能促進(jìn)我國環(huán)境治理取得長遠(yuǎn)發(fā)展。