無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用

摘要：我國“十四五”規(guī)劃明確提出持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量，深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)，建設(shè)環(huán)境友好型社會。環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境管理的基礎(chǔ)也是評價改善成效的依據(jù)。近年來，隨著信息技術(shù)，電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)不斷豐富升級。其擁有網(wǎng)絡規(guī)模大、可快速展開、實時性高、網(wǎng)絡動態(tài)性強、較強的容錯性等特點，目前已被廣泛應用于軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等方面。主要對無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在網(wǎng)絡節(jié)點部署、能耗、安全性、通信及在環(huán)境監(jiān)測中的應用方面進行總結(jié)，分析當下的發(fā)展進程，并對未來的研究方向提出展望。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；環(huán)境監(jiān)測；節(jié)點定位；節(jié)點部署；網(wǎng)絡通訊；安全性

隨著工業(yè)化不斷發(fā)展，環(huán)境問題日益顯現(xiàn)，環(huán)境監(jiān)測成為環(huán)境治理的關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)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(shù)，計算機技術(shù)以及電子技術(shù)的發(fā)展，小巧輕便、部署自由的無線傳感器網(wǎng)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(tǒng)維護等成本。由于環(huán)境監(jiān)測對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c質(zhì)量有著較高的要求，一旦數(shù)據(jù)大量失真會產(chǎn)生嚴重且惡劣的社會影響，而通過無線傳感器網(wǎng)絡得到的數(shù)據(jù)實時性和連續(xù)性高，比人工監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)更有保障，可排除監(jiān)測人員水平參差不齊、敬業(yè)負責程度不一等因素的干擾［1］。因此，如何將無線傳感器網(wǎng)絡應用在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域成了研究熱點。

本文從無線傳感器網(wǎng)絡工作原理出發(fā)，分別從節(jié)點和網(wǎng)絡兩個層面進行分析。其中節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位，采取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綖闊o線通信。因此，文章針對傳感器、節(jié)點部署、無線網(wǎng)絡等主要關(guān)鍵技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用場景進行了總結(jié)。

1無線傳感器網(wǎng)絡原理

無線傳感器網(wǎng)絡由成千上萬的傳感器節(jié)點組成，是一種自組織分布式傳感器網(wǎng)絡。節(jié)點被部署在目標區(qū)域中，每個節(jié)點通過其內(nèi)部的傳感器對環(huán)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(shù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元將信息傳遞給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)進行篩選以及融合后可通過廣域網(wǎng)或衛(wèi)星與用戶直接通信，用戶在接收到數(shù)據(jù)后就可以對數(shù)據(jù)進一步處理。

傳感器節(jié)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(jié)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(jié)點本身的局限以及在局限內(nèi)進行優(yōu)化以實現(xiàn)更高效能方面進行研究，使無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展迅速。近年來，隨著研究的深入，無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測應用方面發(fā)展迅速。

目前最為廣泛應用的結(jié)構(gòu)，是以無線傳感器節(jié)點為基本單位，通過無線通信進行連接，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2傳感器

傳感器是用于獲取環(huán)境監(jiān)測參數(shù)指標，將從現(xiàn)場測量到的信息轉(zhuǎn)變成相應數(shù)值的元件［2］。在環(huán)境監(jiān)測方面，面向不同的環(huán)境，傳感器的選用有所不同，特殊環(huán)境下，亦有針對性的傳感器選擇。例如對空氣環(huán)境進行監(jiān)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(zhì)環(huán)境進行監(jiān)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(shù)不斷發(fā)展，在水環(huán)境監(jiān)測中，由于其具有更好的選擇性、更短的響應時間、更高的穩(wěn)定性等特點而被廣泛使用。比如BOD微生物傳感器已經(jīng)成為監(jiān)測水體污染時被選擇的熱門傳感器［3］，在此基礎(chǔ)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(yè)環(huán)境進行監(jiān)測時，例如對橋梁等架構(gòu)進行監(jiān)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(huán)境進行監(jiān)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(zhuǎn)。這為研究人員能夠?qū)Ω鄰碗s惡劣的環(huán)境進行監(jiān)測打下堅實的基礎(chǔ)。

環(huán)境監(jiān)測節(jié)點將產(chǎn)生大量環(huán)境信息，但如果節(jié)點位置信息未知，得到的數(shù)據(jù)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(huán)境［4］。

此外，當節(jié)點出現(xiàn)故障時，通過定位就可以知道故障節(jié)點所在位置，這樣才能夠第一時間采取措施應對。同時節(jié)點位置信息亦是WSN很多關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)，包括設(shè)計基于節(jié)點位置信息的路由算法，為減少系統(tǒng)能耗合理安排不同位置節(jié)點的睡眠工作時間等，因此節(jié)點定位至關(guān)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(wǎng)絡

環(huán)境監(jiān)測過程通信網(wǎng)絡性能非常重要。按通信距離劃分，現(xiàn)代通信網(wǎng)絡分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，局域網(wǎng)技術(shù)主要以Bluetooth、Wifi、ZigBee、Uwb、Irda、NFC為代表［6］，表1分別對七類無線網(wǎng)絡通訊技術(shù)性能比較：

低功耗廣域網(wǎng)絡技術(shù)配合無線傳感器網(wǎng)絡主要應用在森林［7］、水質(zhì)［8］以及氣象監(jiān)測［9］等人工難以抵達的偏遠區(qū)域上。戴楊等人提出了基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)并實現(xiàn)，針對林區(qū)特點綜合考慮了系統(tǒng)的成本、功耗、可靠性以及擴展性等，目前已在穩(wěn)定運行一年［10］。

近幾年，隨著5G的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用

環(huán)境監(jiān)測重點關(guān)注自然環(huán)境和工業(yè)環(huán)境兩方面，自然環(huán)境包括森林、大氣、水環(huán)境等。工業(yè)環(huán)境包括工廠、橋梁建筑、煤礦開采等，對工業(yè)環(huán)境進行監(jiān)測主要是國家對于工廠排放的廢水廢氣的監(jiān)測，保證工程質(zhì)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(huán)境，因此國家及時采取措施，關(guān)閉小工廠，合并大工廠，并對排放嚴格管控。

4.1自然環(huán)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(shù)，并且會造成巨大的損失。隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為人們提供了對自然災害的預判預警，為人們的生命財產(chǎn)安全提供了較好的保護。同時也對生態(tài)環(huán)境、氣象、農(nóng)業(yè)等方面進行有效監(jiān)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(qū)的人，Cholatip和Sathapath［11］設(shè)計一種無線傳感器網(wǎng)絡作為氣象站網(wǎng)絡，該設(shè)計利用決策樹技術(shù)分析天氣信息，并發(fā)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(tǒng)的基于衛(wèi)星的森林火災監(jiān)測方法相比，該方法更加快速。Lloret等［13］在常用的網(wǎng)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(lián)網(wǎng)，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(wǎng)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(nóng)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(chǎn)力，同時做到了節(jié)約用水［15］。

4.2工業(yè)環(huán)境

在工業(yè)生產(chǎn)中，工廠的違規(guī)排放造成了大量污染，因此國家愈加重視廢水廢氣的監(jiān)測，并嚴格要求工廠的排放需達到規(guī)定指標，吳麗琴［16］針對高水耗企業(yè)水務管理落后的現(xiàn)狀提出了面向企業(yè)的水務監(jiān)測系統(tǒng)為企業(yè)年節(jié)水16％符合國家節(jié)能減排的要求。盛平等［17］為污水處理廠設(shè)計了遠程協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)，為其污水處理量增加了5.2%。龔發(fā)根等［18］提出了應用于工業(yè)廢氣監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡，實時監(jiān)測工業(yè)環(huán)境空氣中廢氣含量，可以實現(xiàn)較好的控制與監(jiān)督。

亦有許多具有較高危險性的地帶無法進行人工監(jiān)測，無線傳感器網(wǎng)絡同時滿足監(jiān)測實時性和全面性的要求，發(fā)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(shè)計了一種基于FDSI的無線傳感器網(wǎng)絡對煤礦甲烷氣體進行監(jiān)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(shè)計了石油鉆井設(shè)備檢測的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠?qū)崟r跟蹤建井過程、預報井下故障，大大降低了風險系數(shù)。監(jiān)測工業(yè)建筑的安全也時常使用無線傳感器網(wǎng)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(nèi)亦有對武漢長江二橋［23］等地進行監(jiān)測并取得較好的效果。王兆文［24］對通信鐵塔狀態(tài)進行監(jiān)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(chǎn)生威脅。

5結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)內(nèi)容豐富，想要將其運用在環(huán)境監(jiān)測中還需要多方面的優(yōu)化，在傳感器方面，還需要制造合適、更精確的傳感器硬件設(shè)備，比如海水等環(huán)境下的傳感器應更耐腐蝕，更能承受環(huán)境帶來的損耗，優(yōu)化硬件電路以避免電路失效帶來的故障。設(shè)計更準確的節(jié)點定位算法和覆蓋率更高的部署方式，探究更低能耗的網(wǎng)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(wǎng)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(jié)合NB-IoT等技術(shù)，可以取長補短發(fā)揮優(yōu)勢。如何更好地將無線傳感器的作用發(fā)揮在環(huán)境監(jiān)測中依舊需要學者不懈探索。

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