无线传感器网络在环境监测中的应用

2021-12-30王慧莹

科技创新与应用 2021年28期

王慧莹

（河南省驻马店市新蔡县环境保护监测站，河南新蔡 463500）

随着社会经济的不断发展，国民生活水平的大幅度提升，人们对生活居住环境质量提出了更高的标准和要求，环保意识越来越强。环境保护问题是现阶段我国人民热切关注的重点问题，也是实现我国可持续性发展必须解决的问题，而改善人民群众生活、建设美丽中国是我国政府工作努力的重要方向，所以要重视环境的监测工作。如今，无线传感器网络技术在环境监测中应用越来越广泛，通过无线传感器网络对各类传感器进行非常及时的监控，并利用嵌入式的方式对获取的数据进行分析处理，最终将处理完的数据借助信息网络传达到远程环境监测中心，有利于对环境进行实时监测。

1 无线传感器网络在环境监测中的应用优势分析

在环境监测中应用无线传感器网络主要有如下几个方面的优势特征。首先，其能够为网络组织提供非常迅速的网络活动，而且网络的优质性能够通过其快速把握信息的优势，可以在非常短的时间内进行无线传感的部署及设置，有利于资源的优化配置。其次，网络具备非常强的应用需求。网络的快速发展及在各个领域的普遍应用，极大地方便了人们日常生产生活，让人们的生产生活发生了翻天覆地的变化，一定程度上也让人们在生活过程中对网络产生了极大的依赖，使人们对信息的要求越来越高。另外，信息采集数据通过路由进行传输，能够充分发挥无线传感器网络技术的优势，可以在零损耗的基础上，将整体结构提升到一个更高的层次。有关人员进行了大量的科学研究发现，在环境监测中应用无线传感器网络非常关键，其可以在环境监测过程中获取更多的有效信息，也能够有效满足网络抵御强有力以及摧毁性特定应用的需求，有利于环境监测的探索及发展，在环境监测过程中发挥着至关重要的作用，所以要重视无线传感器网络在环境监测中的应用研究。

2 无线传感器网络在环境监测中的应用现状研究

随着社会经济的不断发展进步，以及无线通信技术的快速发展，我国环境监测过程中，越来越多地应用无线传感器网络这种比较新的方法，这一定程度上转变了人们对自然世界的认知方式，其架构起计算机网络和真实物理世界沟通交流的桥梁。20世纪80年代，西方很多国家都建立现代化环境监测系统，在环境监测过程中，无线传感器并不需要固定的网络进行支持，其能够非常迅速地铺设，而且具备一定的抗毁性，在环境建设过程中应用非常广泛。无线传感器能够有效监测环境，可以及时完成环境监测的任务，并且不需要深入环境监测地段，这非常有利于对环境的保护。无线传感器在环境监测过程中的有效应用，尽可能地避免了对环境的破坏，而且能够为后续环境监测提供模型依据，能够完成传统环境监测不能完成的任务，使用无线传感器进行环境监测是当今世界的潮流。目前无线传感器在我国环境监测等有关部门并没有被大规模地应用，因为无线传感器是新兴的事物，其发展及应用需要经历一段时间。无线传感器网络在应用过程中有些关键技术并没有真正解决，国内对无线传感器在环境监测中的应用仍然处于起步阶段，而由于无线传感器在不同的场合会存在不同的技术问题，所以在无线传感使用过程中其组网结构以及传感器节点等都需要进行不同的设计，要遵循不同设计要求。

3 无线传感器网络的架构以及特点分析

3.1 无线传感器网络的结构

无线传感器网络体系结构主要是无线传感器网络协议架构。无线传感器网络的物理层，主要负责信号的调制以及收发，比如红外线等。数据链路层主要是负责数据成帧以及数据成帧的检测工作。媒体对协议进行访问能有效保证可靠的点对点以及点对多的通信，而插座控制最重要的目的是节点收到信息以及确保源节点完全相同的机制保障，有效保证信息的一致性。网络层主要是保障无线节点通信技术与能量的传递。无线传感器网络节点传入信息绝大多数情况下都以多跳的方式完成传递，所以网络层最重要的工作是路由的发现、路由选择以及路由的维护等。传输层主要是指为有效保障通信服务质量，由传输层借助对数据流的有效控制来完成，要保证整个网络信息的流量能够在可以控制的范围之内保持畅通，要让基站能够比较顺利地收集到无线传感器网络中节点所发送的信息。应用层中涵盖各种各样的应用软件，其能够为应用软件的开发提供非常有效的开发条件及开发工具。另外，无线传感器网络体系中还有能量管理平台、移动管理平台以及任务管理平台，三大平台都发挥着至关重要的功能及作用。

3.2 无线传感器网络的特征分析

3.2.1 硬件资源非常有限

无线传感器节点会受制于成本计算能力、存储空间、体积耗能等，而且其电池容量一般比较小，而无线传感器在环境监测过程中并不能频繁地更换电池，有的环境监测点甚至不可能更换电池，这一定程度让无线传感器节点硬件的有限能源成为非常宝贵的资源，经常会出现节点能量耗尽成为死节点的问题。另外，由于存储器的容量不够大，也是造成无线传感器硬件资源有限的重要原因。随着微机电子系统技术的不断发展，低耗能、微型、高度集成以及价格比较低的无线传感器节点会不断地出现并涌入市场，这一定程度上为无线传感器的可持续性发展提供了有力支持。

3.2.2 无中心、自组织以及协作式的无线网络

无线传感器网络节点与传统的一般意义上的无线网络有非常大的差异。当无线传感器节点被设置在被监控区域内时，其并不会依赖其他的设施设备，节点开机之后，会通过已存入的节点中的算法以及协议自动进行自我定位、自我配置以及自我管理，并借助拓扑控制机制以及网络协议自动组成一个相对独立的无线传感器网络。自动组成的无线传感器网络是一个没有中心的对等网，在这种网络中节点之间的关系处于比较平等的状态，无线传感器网络会通过协作式的方式进行工作，可以对感知对象从多个角度以及不同位置进行感知活动。而借助节点之间的协作，一定程度上能够让信息传输更加快速而且非常准确、有效，使能量能够有效地进行保留。

3.2.3 节点数量比较密集

大多数情况下，无线传感器网络中会有一定数量的节点，而且会比较均匀地布设在监测的区域内，其具备非常高的精确度。由于节点与节点之间的类型存在一定的差异，节点可以借助合理的休眠来不断延长网络生命。一个节点被损坏，其他节点并不会受到影响，这一定程度上会让整个无线传感器网络处于安全可靠的状态，其具有一定的操作性，有良好的抗毁性，所以对单个节点的安全可靠性要求并不高。另外，无线传感器具有一定的动态性。其节点由于能量有限会成为死亡节点或者切换至休眠的状态，无线传感器网络具备非常好的自我组织能力以及协调能力，其不会影响到网络信息的有效采集，这是在无线传感器应用过程中，其他网络无法比拟的优势。

3.2.4 灵活性比较高

无线传感器灵活性非常高，绝大多数情况下，传统的有线网络需要布设对应的基础设施设备作为支持，而无线传感器网络能够随时随地进行铺设，随时可以有效利用，并且不会受到时间及地点的限制。无线传感器网络的节点在不会受到其他任何干预的条件下自组网，无需人工干预的特点让其能够更加适应较为恶劣的工作环境，而且不需要人工进行值守。无线传感器网络利用的是无线传输技术，其有利于节省有线铺设带来的成本问题，随着无线传感技术的不断发展进步，其经济性以及性价比会越来越高，应用会越来越广泛。

4 无线传感器网络在环境监测中的应用分析

4.1 无线传感器网络在军事环境监测中的具体应用分析

由于无线传感器具备能够迅速部署、良好隐蔽性以及能够自主组织的优势特征，其在军事领域中被广泛应用；同时，其一定程度上还是军事指挥与控制、计算与情报、目标采集以及侦测等系统的核心构成部分，通过无线传感器网络能够实现对敌人兵力及装备设备的有效监督及控制，可以对战场进行实时的监测及管理，能够及时准确地对目标进行定位，可以对战场情况进行有效的评估。目前国际上很多课题都是以战争需求的研究为主，西方很多国家都持续进行研究计划，寻求无线传感器网络在未来战争中的科学应用，而通过在战场中对不同类型的无线传感器进行布设，会构成传感器网络，这有利于在战争进行过程中士兵能够非常迅速地获取战场的实际情况。无线传感器网络在应用过程中并不需要依靠其他基础设施设备，其具备非常强大的自组织以及配置的特征，能够灵活地适应设备发展，并且能够管理无线传感器进行节点的移动，可以对任务以及网络需求进行非常灵活且有效地反应，所以无线传感器网络会变成未来战场中的电子眼，要注重无线传感器在环境监测中的具体应用研究。

4.2 无线传感器网络在矿井环境监测中的具体应用分析

我国煤矿生产安全事故时有发生，加强矿井下的安全监测至关重要。随着社会经济的不断发展，人们日常生产生活过程中对煤炭需求量日益旺盛，煤矿生产行业发展十分迅速。目前，煤炭矿井结构呈复杂化发展，在矿井下进行安全监测难度变大。较之传统的有线安全监测方式，无线传感器网络更容易在矿井下部署。由于无线传感器网络的功耗比较低，而且传输快速，成本较低，非常容易构建无线传感器网络。在无线传感器网络基础上进行矿井安全生产的监测设计，有利于实现功放传感，而且其具备定位及安全警告灯的功能，有利于保证矿井的安全生产，所以要重视无线传感器网络在矿井环境监测中的具体应用研究。

4.3 无线传感器网络在自然环境监测中的具体应用分析

无线传感器网络在自然环境监测中的具体应用，有利于实现对自然环境进行监测，比如无线传感器网络在大气监测系统中的有效应用，能够实现对大气环境的实时监测。现阶段应用的气体成本监测系统存在很多的不足，比如系统比较大，安装困难，监测的终端并不能通过通信基础设施进行无线通信，监控终端和主控终端需要通过有线进行通信，必须要在监测区域进行布线等。而利用无线传感器网络对大气进行实时的监测，可以充分发挥无线传感器的优势。不同的传感器发挥探头优势，能够非常及时地检测到大气中有关气体的含量。根据各个数据节点收集到的风向以及气体浓度等参数进行研究分析，能够在第一时间内了解大气中的有毒气体泄漏的情况。无线传感器网络既可以在多温室环境监测系统结构中进行应用，也能够在单个温室环境监测软件中进行应用。

无线传感器网络在水环境监测过程中的具体应用，同样具备非常大的应用优势。由于无线传感器包含传感器、计算机单元以及通信模块的节点，而且能够通过自主形式组成网络，并且借助节点里面内设的各种传感器监测四周环境的热、红外光、有毒物质含量等数据信息，而且架设非常简单方便，其不需要电缆等基础设施设备的支持。另外，无线传感器节点的价格比较低，能够科学合理地在水域环境中进行部署，可以通过节点采集信息空间的信息，能够获取比较精准的环境信息，其在水质环境监测过程中应用越来越广泛。