基于无线传感器网络的水环境污染源探测与定位

2021-06-10李震

探索科学(学术版) 2021年5期

李震

山东省临沂生态环境监测中心山东临沂 276000

引言：如果我们从污染发生地,我国的情况来看,仍有许多工作要做,特别是在防治水污染方面,这些工作主要以预防为核心,并附有相关规定,限制人为的污染行为。虽然一些研究者专门研究水污染监测系统和定位措施,包括遥感技术、水下机器人观测系统和人工检测,但这些方法都有一定的局限性。

1 无线传感器网络结构

无线通信技术和计算机技术的进步导致了更经济的传感器的快速发展,使得数据处理和无线通信能够在小体积内融合信息采集。将大量的传感器节点随机分布到目标区域,以无线方式接收信息,从而自发组织形成无线传感器网络。网络的主要组成部分包括传感器节点、数据中心(网关、监控平台),数据节点通过一个或多个跳转将收集的数据发送回数据中心,无线传感器系统具有无线通信、环境传感和数据处理的能力,并具有自己的能量器件和传感器功能来解决复杂的问题。无线传感器网络作为全球新发展和互联网的一部分,可以提供广泛的应用。

2 无线传感器网络应用于水环境定位的优势

与现有的深水自动实时控制系统相比,无线传感器网络具有以下优势：

2.1 它是由自动装置组成的一种计算机网络,辐射小的无线信道和多跳通讯协议将水环境参数传送至汇集节点,基站通过高速实时传输通道的无线网络将水环境参数传送至监控中心。

2.2 多点传感器的使用多点密集部署的传感器可以在地理分布广泛的区域内检测多种水环境因子,通过大规模处理相关信息,提高了测量精确度；

2.3 系统成本低与现有的水系统和实验室样品分析相比,设备和人员的成本要低得多。无线传感器网络能有效地克服现有的水环境监测方法对水域原生态环境影响大、数据采集点少、监测范围有限、系统价格昂贵、设备体积大、需预先铺设电缆等缺点,更适合对大范围水域(如水库、湿地、湖泊、江河、海洋等)的水环境进行多点远程实时监测。

3 传感器监测网络的关键技术

3.1 监测网络架构关于水网监测,监测网的设计对于监测区域的有效探测和数据的有效传输至关重要。基于Web的实时监控已成为智能控制技术的发展趋势。为了对水环境实时监控,根据发射网络的特点,我们将建立实时监控系统,通过数据提取子系统、控制中心和应急系统子系统来实现监控、管理和控制。记录数据主要用于通过无线发射网络采集水环境的实时数据,并实时传输到控制中心服务器,帮助主管部门高效地确定水环境状况,更快地检测水环境的变化。控制中心的服务器处理来自数据采集系统的所有信息,以确定传感器节点的位置并发出警报。第二,控制中心必须对水的行为进行分析,以便预测这种环境的趋势。最后,控制中心必须实时显示水监测信息,并将所有信息存储在web服务器上。最终反映系统允许远程用户,包括管理部门,通过网络浏览器实时获取监测中心的水监测信息,并制定适当的应对措施。

3.2 网络拓扑控制技术传输网络中节点的能量供应受限,动态变化,部分原因是环境的变化和节点本身的能耗。为了节约节点的能耗,同时也能应对网络的变化,我们提出了一种真正基于数据的驱动策略：如果我们通常以节点能量和节点的最高通信范围为目标,选择持久的连接结构。如果现场测量异常数据(高于平均值),触发短链路拓扑结构,以异常值的节点为起点,沿水流方向激活周围节点,以精确控制异常环境数据。

3.3 路由协议与传统通信网络不同,路由节点能耗数据传输问题必须包括在内。同时考虑了水体流动单向特性,根据节点位置关系的MAC层协议,以降低系统的传输频率；在扩展网络现有容量时,在使用数据的动态方法的基础上达成协议。

4 网络上的无线传感器

在水污染监测与定位应用中,在较低的损耗代价下,及时发现污染并定位污染源的前提是合理有效的覆盖策略。在无线传感器网络覆盖和应用背景不同的情况下,该策略的主要目标功能上主要分为故障元素的早期检测和更好的响应如何监控环境中的动态事件。前者主要集中在无线传感器中目标的检测与跟踪问题,后者主要集中在对无线传感器周围环境的监测上。充分覆盖的主要目标特别是提高网络的可感知性,实现地表以外的现有覆盖,以及实现地图和感知能力或其他目标。从覆盖策略依据的网络节点部署方式分,可分为确定性网络覆盖部署与网络节点随机覆盖部署。为了延长网络的寿命周期,覆盖策略常考虑网络能耗。

5 无线传感器网络污染源定位

无线发射器位置的问题可分为两大类,一方面关于在无线发射器网络中操作的节点,另一方面关于知道网络中其他节点的位置的网络中的特定锚节点的位置,连接到锚节点位置；其中一个是无线传感器网络的目标地址,该无线传感器网络可以根据目标源释放信号,电磁强度或扩散物浓度等信息,确定目标源的位置。节点分为路径或路径传感器算法,无线传感器网络的位置确定和目标方向之间具有相似性。所有这些都需要节点链接到目标地址的“直接”信息。节点本身确定指向目标的已知坐标节点的信号强度,并使用纵向信息将该信息转换到目标。