无线传感器网络在环境监测中的应用探讨

2022-02-27贾娟丽

科技创新导报 2022年20期

贾娟丽

（杨凌示范区环境监测站陕西咸阳 712100）

近年来，无线传感网络技术飞速发展，其不断被融入环境监测工作中，对环境监测工作效率的提升带来了巨大的推动力，也使监测的准确性有所保障。

传感器网络是由无数零散的节点衔接而成，这些节点的运行涉及设备的安装、微型计算机技术、网络系统构架、通信数据传输、信息整合和综合处理等多方面的内容，该技术能够通过不同节点的探测器实现对监测对象全程的跟踪与参数的收集，确保与计算机模块的对接，并且将已经处理过后的信息以统一的标准通过无线通信网络传输到环境监测的后台中心。可以说，环境监测工作是无线传感器网络技术的典型应用平台。

目前，人们在关注经济发展速度的同时，对于环境质量及环境保护的工作也给予了高度的重视，而环境科学涉及的监测范围也更加广泛，传统的人工采集数据方式很难适应现代化环境监测工作的需求。例如，传统的人工大气检测方式需要通过人力实现对样品的提取，再将这些实验对象代入操作现场进行专业分析，而这些实验对象在提取到进入实验室的这一段过程中，很可能会受到气体平均浓度或样品存储时间的影响。

而无线传感网络技术的应用可以为外界随机性地获取环境监测数据提供新的可能性。无线传感网络的节点数量众多，不仅能够减少人为样品采集对样品带来的破坏，同时，还可以根据环境监测需求获取海量的数据信息。目前，无线传感器网络技术在环境监测工作中具有广阔的应用前景，在环境监测信息数据的实时采集、数据的深度挖掘等各方面都具有至关重要的价值。

1 无线传感器网络的概述

将无线传感器网络应用在环境监测工作中，能够起到提升环境监测质量的作用。环境监测系统内部利用的传感器网络是一种具有层次结构的综合性网络构架，在监测系统的底层结构中布置了多个传感器的节点［1］，而在这些节点相互连接及互通消息的作用下，可以将监测对象的相关数据信息传输到终端设备中，使终端设备的监控人员对环境质量进行一定的掌握和了解。传感器的节点主要是由处理器模块、能量供应单元等部分构成。为了确保环境监测数据信息获取的准确性，通常情况下，要求在环境监测目的地附近布置数量较多的传感器节点，同时，要保障不同传感器节点之间的密度较大，这样才能构建起一个体系化的传感器网络系统。传感器节点在环境监测系统中主要起到了数据传递的作用，能够将环境与数据信息传送到环境监测基站中，而这一过程中的传输网络主要是负责调节不同传感器节点，二者之间的相互作用能够使后台监测人员快速获取环境监测目的地覆盖范围中的环境数据信息。

事实上，无线传感器网络构架就是通过分布在零散节点的微型设备和移动节点相互衔接而构架成的一种有机网络体结构，这些节点之间可以通过特殊的信息传递通道实现数据的对接，而不同数据节点也能针对精准的对象进行定位和参数采集，然后通过统一的传输渠道上传到后台控制和整合设备中，基于这些数据的精确处理方式，实现对数据潜在关联的挖掘，这种信息传递模式更加便捷且迅速。除此之外，无线传感器网络技术还具有零散节点和分布式设置的优势，能够在局域范围内实现节点的灵活调整，并且不会影响到数据传输的精准性，这些零散且分布式的节点都可以利用自身携带的微型设备实现对监测对象定位数据及其他参数的准确抓取，然后再利用统一的传输格式和传输渠道实现对这些信息的终端传递，满足检测人员所需要的标准信息需求。

2 无线传感器网络技术在环境监测工作中的应用特征

2.1 具有多数据发送模式的特征

为了实现数据的高效传递，确保数据传输的通信质量，传感器网络架构中的每一个节点微型设备中都兼具着数据监测、动态接收及实时传输的能力。尤其是考虑到许多零散的节点设备所处的不同局域环境，很可能面临着的是较为恶劣的外部自然环境，这也意味着这些节点在数据传输及接收的过程中可能会受到外界自然环境的影响和干扰无法正常地发挥数据传递的价值。因此，不同区域的节点在差异性监测工作环境的背景下，传感器节点必须要具备数据发送模式的功能，这样才能够确保无线传感器的节点具备强大的抵御干扰能力，在任何恶劣条件下，都能够紧紧抓住数据不放松，为节点抓取数据信息的上传争取通畅的传输渠道［2］。

2.2 系统具有功率超低的特征

数据节点在实现数据抓取的过程中需要足量电能的维持，而无线传感器设备中的电量主要是由内部的微型输入设备所提供的，并且在整体结构设计中，必须考虑到体积及续航时间的匹配性。因此，微型电能供应设备必须要做好功能消耗方面的控制，这样才能够确保一次微型电池的使用能够满足长时间监测工作的需求。具体可以应用以下几种方式来降低传感器系统的能源消耗。第一，可以选择采用能源消耗量更低的软件。第二，可以针对外界所处状态及监测对象选择工作模式。例如，针对信息的发射模式、信息的接收及动态的采集都可以设置时间节点。第三，可以灵活调节不同的工作控制模式，用户也能依据环境监测工作的实际需求，针对信息的发布、信息的抓取模块进行灵活选择，如果不需要工作时，就应该将系统设置为休眠模式以节省电量。第四，在环境监测系统不需要对周边自然环境进行监测工作时，可以让系统中耗电能源较大的重要节点及重要零部件率先进入休眠省电的状态。

2.3 Zigbee通信协议技术

目前，我国的环境监测系统中采用的无线通信技术主要有bluetooth、红外线技术、GSM技术及Zigbee通信协议技术。其中，Zigbee 通信协议技术相比于其他通信技术来说，在应用过程中具有能源消耗量较低、成本投入量小、双向传感等优势［3］。

2.4 多传感器数据融合的特征

监测工作的后台控制系统需要针对差异化来源的上传信息节点进行整合收集。而在监测过程中采用的网络传输节点，其数据的监测功能差异是巨大的，不同工作模式下，会上传规模庞大的信息流，这些信息流可以通过不同节点之间的相互衔接，实现流动传输，也可能会在集中的时间点选择同一路径实现后台的上传。为了避免数据传输过程中同一采集节点海量信息流同步上传带来的波动问题，重要必经节点就应当具备不同信息流整合等功能，这样才能够针对规模庞大的信息流进行前端筛选，将高利用率的数据信息提取出来，经过初步处理后，再进入终端设备。

2.5 具有定位功能

定位技术主要是指传感器节点能够将监测对象的位置信息传输到后台控制终端。位置信息是传感器节点收集到的污染信息数据中的重要构成部分，对于环境监测工作的发展具有重要意义。明确污染问题发生的位置，并且获取数据节点的位置，是无线传感网络具备的基础性功能也是特征之一。为了向后台终端设备提供准确且有效的位置信息，布置在监测的对象附近的传感器节点必须要具备自身定位的功能，并且根据自身的位置来判断监测对象所处的位置。在定位过程中，可能需要无线传感器的节点能够快速地估测出不同节点之间的角度和距离，然后再根据监测区域的实际状况，将传感器网络定位分为与距离无关的定位或在距离基础上进行的定位操作。其中，与距离有关的位置包括了AOA 定位、TOA 定位等，而与距离无关的定位算法包括有质心算法及APIT 算法等。在这些算法中，不会受到距离影响的定位算法对传感器网络的硬件设备要求并不严格，因此在定位过程中不会轻易受到外界环境的影响，因此，与距离无关的位置确认技术也是当前传感器无线网络中应用较为广泛的一种定位机制。

3 无线传感器网络系统的构架与组成

使用无线传感器网络，在环境监测工作中具有显著的应用优势。第一，无线传感器网络具有自我组织性，能够为环境监测工作提供成本较低且部署效率较高的网络构架。第二，无线传感器网络在环境现场监测过程中，可以将采集的数据通过中间的节点和路由器进行传送，在不消耗任何能源及成本的前提条件下，就能够有效地提升整个无线传感器系统的数量级。第三，无线传感器系统的网络具有较强的抗毁性能，能够满足有些特定自然环境条件下的监测需求。

在过去的几年内，国内外对无线传感器网络系统在环境监测中的应用进行了充分的研究，并且也取得了突破性的进展。Intel研究中心与美国加州大学伯克利分校实验室的相关研究人员在Great Duck Island 使用了无线传感器网络系统来研究岛屿周边的自然生态环境。而我国杭州也开始将无线传感器系统利用在了对杭州西溪湿地水环境的监测工作中。除此之外，我国国防科技大学也针对无线传感器网络系统在环境监测中的应用进行了深入的研究，并取得了显著的研究成果。

当前，无线传感器网络系统在我国的环保事业中并没有得到大范围的应用。一方面。无线传感器属于新生代网络信息技术下的新兴产物，国内对其应用优势的研究及实际应用方式的研究还处在摸索阶段。另一方面，无线传感器网络系统在应用过程中，在一些关键节点的技术方面仍然面临着许多亟须解决的问题，而国内对于无线传感器网络系统在环境监测工作中的应用研究依然处在初步阶段中，再加上无线传感器网络系统应用在不同的自然环境中也面临着差异性的技术问题，因此，无线传感器、组网结构及传感器节点在不同环境监测工作中的设计具有差异性的要求。

无线传感器网络系统的部署可以在不同的环境监测区域内由多个小型的传感器网络节点通过自我组织的方式构建起来。为了确保无线传感器网络系统具备环境监测的功能，首先，必须要确定无线传感器网络系统的拓扑结构。目前，无线传感器网络系统在自我组织和构架过程中主要存在集中式控制结构及分布式控制结构这两种方式。在分布式控制结构中，根据无线传感器网络系统中中转节点数目的多少，又可以分为对等式结构及分层结构这两种类型。每一种结构下的无线传感器网络系统在不同的环境监测工作中都具有其显著的优势及缺陷性，需要根据环境监测工作的实际状况及周边的应用条件来决定无线传感器网络系统的拓扑结构。在通常情况下，环境监测工作区域往往面积较大并且监测点较为分散，在这种情况下，可以采用分层式的无线传感器网络结构。但是，如果环境监测工作中监测的区域相对来说较为集中，并不需要布置较多的监测节点，就可以采用对等式节点拓扑布置的方式，只在监测点较为集中的区域布置无线传感器网络监测节点，然后通过网络关联系统与后台监控中心之间相互连接，就可以将监测信息及时上传到后台控制中心，为环境监测人员提供准确的数据支持。

4 无线传感器网络在环境监测工作中的应用

4.1 无线传感器网络技术在地质环境监测中的应用

无线传感器网络尤其以地质状态的监测功能优势最为凸显。例如，在我国环境区域极其恶劣的青藏铁路线的前期地质背调工作中，考虑到这一铁路段需要穿越超过500km的无人区，温度的恶劣性、信号的波动性及地质条件的波动性都在该区域交通线路的后期建设和正常运行埋下了极大的不稳定性，同时还可能会出现监测信息无法及时传输或监测数据错误等问题，目前，我国行业界已经开始着手研发基于该区域恶劣外部环境下的极端温度定时监控系统，这项系统的衔接和运行通过了多分布点跳跃衔接的方式，在必要状况下，能够跨越上一节点直接转发到中心控制站，在经过基础信息的初步处理之后，将信息汇集上传，利用GPRS网络发送到后台监测中心。

4.2 无线传感网络技术在水环境监测中的应用

与无线传感器节点构成的数据传输局域网络在水污染物质运行监测方面也具备得天独厚的优势。网络构架可以通过传感器节点、计算单元及通信模块自动组成信息传递的衔接构架，再利用多种功能的微型设备对监测对象中光感参数及热感参数进行抓取，这样就能够准确地分析出水质中含有的有毒有害物质及毒害物质的含量等信号。无线传感器网络技术在监测水环境的工作中具有传感器节点设置便捷、不需要搭建有线电缆及复杂终端设备的优势，除此之外，这些微型节点的构建投入成本并不高，并能够更好地适应水域环境。通过这种高密度的传感器，节点部署有利于采集不同空间的水环境信息，同时也能够获得更加精准的数据。目前，业界已经有专家利用无线传感器网络技术，结合了软测量技术及智能信息处理技术，对湿地的水环境质量进行了远程的跟踪性动态监测，在应用过程中发现，无线传感器技术具有覆盖范围较广、监测精确度较强、监测连续性较强等优势，同时，无线传感器节点低廉的成本也解决了传感器节点部署过程中的密度问题和覆盖性问题［4］。

4.3 无线传感器技术在大气环境监测中的应用

无线传感器技术在大气环境监测工作中的应用，较好地解决了当前我国大气环境监测系统中气体成分监测精准度不足、系统构造复杂、有线设备搭建困难、终端数据收集波动等问题。目前，无线传感器技术以其独特的应用优势已经在我国的大气环境监测系统中得到了广泛的应用。通过无线传感器网络，能够对局域内部的气体运转状态进行动态跟踪，也可以通过在特殊地域条件下设置功能性的传感器接口，进一步捕捉目标气体的含量及变化状态。而这些微型探头都能够具备监测局域环境内风速、风力风向及重点监测气体浓度的功能，能够及时且精确地监测到大气中是否存在毒害气体［5］。

目前，我国的环境监测行业中已有专家通过利用无线传感网络技术实现了对大气环境监测系统的网络优化构架。在这一实验中，相关专家研制了专门用于监测生活环境中毒害气体的无线传感网络系统，这一系统能够持续性地工作3 周，传感器节点能够直接将监测到的气体数据信息传输到后台基站中，传感器节点数据信息的最大传输速度能够达到165kB/s。除此之外，无线传感器网络技术也能够应用在突发性事故的应急预警和监测工作中。无线传感器系统在应用过程中具有结构简单、覆盖面积较大等优势，能够在大气环境中对传感器节点进行灵活的部署，提升了对于空气中各类型参数的实时监测精确性［6］。