无线传感器网络在东阳市“五水共治”中的应用价值分析

郭淑华

摘要： “五水共治”，吹响了浙江大规模治水行动的新号角。东阳市投入大量人力、物力、财力用于改善水质，也取得一定阶段性成果。但是对于水质监测方法主要采用人工分析，工序复杂、既费时又费力，又无法对水样进行实时监测，无法及时准确反映水质的情况。同时对于大量生活污水、农田排水或工业废水的偷排、漏排的现象除了排查方式，平时更多的还是依赖群众监督和举报的形式，监督机制不够完善和系统，严重影响“五水共治”的工作实施与进度，让工作的进展显得捉襟见肘。本课题构想基于ZigBee技术的无线传感器网络模型，将无线传感器网络技术用于水文信息监测，提供崭新途径，对确保防洪安全、饮水安全、经济发展等，具有极其重要的作用。

关键词： 无线传感器；五水共治；水文监测；传感器网络

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）03-0031-02

“五水共治”是浙江省委、省政府贯彻落实党的十八大、十八届三中全会精神，推进新一轮改革发展，再创浙江发展新优势而作出的重大战略决策。全民治水攻坚战已经在浙江大地全面打响，东阳市2015年投入巨资用于“五水共治”，首批建设项目达108个，总投资约28.37亿元，取得了良好的成效，但是，治水作为一项投入大、涉及面广的系统工程，摆在我们面前的，还有大量工作要做。东阳市共有11座国家基本水文测站， 9个雨量站，2个水位站，对水质监测主要采用人工分析方法，工序复杂、既费时又费力，又无法对水样进行实时监测，无法及时准确反映水质的情况。同时对于大量生活污水、农田排水或工业废水的偷排、漏排的现象除了排查方式，平时更多的还是依赖群众监督和举报的形式，监督机制不够完善，不够系统，严重影响“五水共治”的工作实施与进度，本课题将无线传感器网络技术用于水文信息监测，应用于东阳市“五水共治”工作部署，解决传统的观测点少、数据采集慢、传输不可靠，反馈不及时等缺点的有效办法，尤其针对此次治水范围之广，涉及县市、偏远山村或地区，成为一种最优的选择。无线传感器网络（简称WSN）部署设置简单、成本便宜、电池长期使用，不需要频繁更换、人力上无需派专员现场维护。本课题就无线传感器网络应用于东阳的“五水共治”工作价值进行分析，并尝试构想基ZigBee技术的无线传感器网络模型。

1国内外研究现状

国外：

美国对无线传感器网络的研究主要成就有：2002年，Intel研究伯克利中心实验室和大西洋学院联合在大鸭岛部署了43个节点，开展环境监测，分别对光、温度、湿度、气压力和红外等要素信息无侵扰观测，经卫星传至服务器分析以研究海燕岛上的筑巢行为。

2004 年，美国将WSN 节点用于了河流监测，通过监测河流周围土壤中水分含量，依靠温度、湿度传感器，为河流生态圈提供研究数据。

2005年，美国哈佛大学Mate Wel研究小组，设置WSN监测站，通过节点采集次声波数据，为火山监测降低试验危险性同时，提高可靠性及可控性。

除美国以外，英国、日本等国家，也陆续展开了关于传感器网络领域的研究工作。

国内：

2002 年中国科学院率先开始了对无线传感器网络技术的研究，截至去年，国家自然科学基金重点立项3项、“863”支持30余项、“973”也设立2项目、“中国未来20年技术预见研究”针对无线传感器网络立项达7项之多。国内清华大学、浙江大学等高校，也投入了相当力量，将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。

2007年11月，中国科学院布设“智能尘埃”网络，开展“基于无线传感器网络技术冰雪环境连续测量系统”研究项目，遥控监测北京冰雪变化结合南极冰雪数据，对南极开展“天地一体化”监测研究。

2无线传感器网络技术概念及其实际应用

2.1无线传感器技术概念

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是综合微电子技术、计算机技术、网络技术、无线通信技术等涉及多学科，交叉集成前沿热点研究领域，能够实时监测、感知和采集各种环境监测对象信息，进行数据处理、分析，实现与物理世界、计算机世界的互通互联。

无线传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。任意分布在监测区域内传感器节点通过多跳中继方式传递信息，以自组织的形式构成网络，w信息首先传送到汇聚节点，通过简单位处理，再通过Internet网络通讯方式最终传送到管理节点，进行数据分析和处理。通常用户发布命令是可以通过管理节点告知传感器节点收集监测信息。图1给出了无线传感器网络体系结构图。

2.2 无线传感器的应用

无线传感器网络集合了信息采集、存储、传输与处理功能，是一种综合智能信息系统。无线传感器网络组网灵活方便、费用经济、体积小而，被广泛地应用于国防军事、环境监测、城市交通、医疗救助等领域，具有得天独厚的技术优势及重要应用价值。

2.2.1 军事应用

无线传感器网络源于军事领域，具备快速部署、隐蔽性强等特点，能够实现对军事阵地等多场合下准确和全面地获取监测信息，对国防安全具有一定意义。

2.2.2 医疗应用

基于传感器网络所具备的自组织、对周围的高感知能力，因而在医疗领域有着广阔的应用前量，人们可以享受更方便、更舒适医疗服务。美国Intel研制家庭护理项目，应对老龄化社会技术重要内容。在SSIM项目中，帮助盲人获得一定程度的视觉，将100个微型传感器植入病人眼中。

2.2.3 环境监测

无线传感器网络在环境监测中，发挥着重要作用。通过对土壤空气、海洋成分、气象地理研究监测，及时掌控环境指数变更情况； 通过跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫的迁移，进行濒危种群的研究。

无线传感器网络还被应用于一些其他领域，如用在工业自动化生产线，改善运作条件；用于危险工业环境，实施安全监测；用在农业灌溉、空间探密、智能家居等多方面。

3无线传感器网络在东阳市“五水共治”中应用价值分析

3.1价值分析

东阳市水利系统将积极营造“人人都是治水员、处处都是主阵地、场场都是攻坚战”的浓厚氛围， “五水共治”任务艰巨，涉及面广，投入巨大，长期持久。

分析水文信息采集具有监测面积覆盖广、监测点较多、环境或危险或恶劣等特点。如果采用传统人工方式，既费时又费力，工作效率低；如采用有线传输方式，又存在布线困难、成本过高、维护不便等缺点；如采用移动通讯网、GPRS或蓝牙技术的方式，又存在着功耗大，成本高等缺陷。因此，采用无线传感器网络既经济又具实效，易操作。

从作用效果而言：无线传感器网络的技术应用，无论在防洪、排涝还是在污水排放治理方面，提供了先进的技术，信息化的操作，起到一个积极的监测及监管作用，弥补人工方式的缺陷，确保全市的五水共治顺利展开，是工作实施的有效手段。

从可操作性而言：无线传感器网络的技术实施，原理较简单，成本低，不依赖固定的网络设备支持，易于实现，具有较强的可操作性。

3.2应用实施

分析水文信息采集具有监测面积覆盖广、监测点较多、环境或危险或恶劣等特点。本课题从设备可靠性、可扩展性、搞干扰性、复杂程度、功耗以及成本等方面提出以下问题：

3.2.1 网络结构方面

基于河流的特性，采用ZigBee技术，构建树形拓扑结构网络，包括管理节点、汇聚节点和传感器节点。传感器节点以自组织形式形成网络，主要负责采集水位、雨量、温度等水文信息，并通过网络通讯方式将数据信息传递到管理节点，以待处理与分析等系列操作。

3.2.2 能量控制方面

由于无线传感器网络应用环境的限制，在软硬件的设计中，传感器节点低功耗的设计应是我们首要考虑的因素。太阳能源的有效利用将作为首先。

3.2.3 采集传输方面

在水文信息采集技术中可分为触发式采集和定时采集。触发式采集设置触发条件，由管理节点发出控制指令，来控制传感器节点的工作状态；定时采集是网络系统根据具体情况如汛期灵活配置设定周期来采集水文信息，以达到有效节省网络功耗的作用。

3.2.4 可靠安全方面

系统性能主要包括电路工作、程序运行、数据传输的可靠性，以及适应野外昼夜差、抗雷击、抗电磁干扰能力等多方面内容。

3.3 应用对策

针对“五水共治”中的“治污水”、“防洪水”、“排涝水”、“保供水”、“抓节水”，对象都是水，但所偏重的内容不同，工作重心不同，监测所关注的问题和指标不同，因此传感器网络的硬件平台、软件设计和协议栈的选择就必然有很大的差别。

3.3.1 要有针对性

此次五水共治，涉及面广，影响因素很多，执行和执法场所有所不同，可能是企业单位、村庄养殖场所，也可能是居民小区，因此，在设计无线传感器网络时，应考虑节点功能、成本及节点体积。针对各县区的集中问题，可推出重点工程，如污水监测无线传感器网络和防洪防汛无线传感器网络。

3.3.2 要考虑经济因素

而对于是污水还是洪水，面对的监测对象，监测指标不同，环境不同。具体核心芯片及元器件的型号应选用市场较常见，在兼顾可靠性和经济性，结构越简单，价格也越便宜，对于后期维护理越经济实惠，易操作，具备较高性价比。

3.3.3 要政策扶持和技术支持

虽然无线传感器网络具备成本低，组网简单，但也需要相关的技术和人才支持，在网络应用过程中，可能出现的问题，诸如数据传输问题、数据安全问题、动态组网的自适应问题等，都需要专业人士的维护。因此需要相关政策扶持，进行人才引进和相关技术部门的组建。

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