无线传感器网络在环境监测中的运用分析

李 丰，伍彩虹

（1.广东盈峰科技有限公司，广东 佛山 528322；2.顺德职业技术学院，广东 佛山 528300）

无线传感器网络技术在半导体技术以及传感器技术不断发展的推动下，其自身的感知、计算以及存储通信能力都得到了全面的发展。无线传感器技术是当前我国传感器技术领域所研究的主要方向之一，诸多的科研机构以及高等院校都对其开展了不同程度的研究。其在当前的民用以及军事领域中都有着相对较高的发展空间，已然得到了社会各界人士的广泛关注，成为当前工业领域以及科研领域的研究热点。

1 无线传感器网络架构分析

无线传感器网络的本质就是一种相对较为复杂的互联系统，无线传感器网络会与周围物理环境互相交互，并对周围的物理环境所产生的数据进行分析与处理，并通过其自身的存储通信功能，将在周围物理环境中所采集的数据信息进行传输，以此来有效地完成对当前物理环境的监测。无线传感器网络中的传感器并不是传统的传感器，而是将其数据处理分析模板、无线存储通信模板以及传感器模板进行整合，并将三者集成在一个物理单元上，以此来提升当前无线传感器网络的功能性。无线传感器的自身结构相对多变，其在不同的物理环境中会使用不同的结构框架。总体而言，无线传感器网络可以分为软件层以及硬件层，其中硬件层主要负责对周围环境数据的接收、转换以及对无线电路的有效控制，而软件层主要负责对路由进行选择、实现通信协议以及系统能耗管理等［1］。

2 无线传感器网络特性分析

在对环境进行监测的过程中，技术人员需要对环境中多种不同的信息进行分析与监测。而由于无线传感器网络是多个不同的传感器所组成的，因此在对周围环境进行监测的过程中会衍生出多元化的数据信息，这些数据信息就会借助无线网络来进行传输。但是在信息传输的过程中，多种数据信息可能会在相同的数据节点进行传输，为了切实保证数据在传输的过程中不会受到其他数据的干扰，当前的无线传感器网络对一些基础数据进行了筛选，并对一些数据进行融合，从而将已经整合完成的数据进行节点传输，以此来提升无线传感器网络的数据处理效率与质量。无线传感器网络节点具有接收与发射功能，技术人员考量到无线传感器网络很有可能会在一些环境相对较为恶劣的区域进行布置，为了防止其不受外部恶劣环境的影响，所以在当前的无线传感器网络中增添了多数据发送模式［2］。

3 无线传感器网络系统设计

3.1 设计方案分析

在对环境监测系统进行设计与应用的过程中，技术人员需要运用嵌入式技术、远程基站通信技术以及无线传感器网络技术，以此构建完备的环境监测系统。该系统一般可以运用在对森林、农场以及湖泊等地的环境监测中，根据其监测系统的内部结构，可以将其分为三个层次。

前端的数据信息采集。技术人员借助ZigBee技术以及TinyOS2软件平台，来实现对射频数据包的接收，其终端节点会借助无线传感器对周围的环境系数进行采集。

网关数据信息的整合及远程发送。该部分需要借助环境监测系统的网关来完成。网关也就是一个协议的转换器，主要是对环境中所采集的射频数据包进行分析，根据TCP协议对其进行重组，并借助远程数据传输技术将其上传至数据中心。

后台数据信息处理。环境监测中心在接收TCP数据包后，会根据指定的顺序对数据包进行分析，并将已经解析的数据上传到数据库之中。

3.2 环境监测节点的设计分析

无线传感器网络中的传感器节点是其网络的基本单元，其自身运行的稳定性将直接影响整体无线传感器网络运行的稳定性。图1为环境监测节点结构图。

图1 环境监测节点结构图

无线网络传感器节点可以对所采集到的数据信息进行压缩并存储，同时对其他传感器节点所传递过来的数据信息进行中转。在实际的环境监测中，技术人员根据监测的基本需求对其内部模块进行适当的调整。

3.3 环境监测系统硬件平台分析

在环境监测系统中，sink节点对ZigBee无线传感器网络所传输的数据信息、协议转换等监测参数有着极为重要的作用，同时亦可成为独立的设备对野外环境进行数据信息的采集，其基本机构如图2所示。

图2 Sink节点的结构图

技术人员在对其进行应用时，会涉及两种协议的转换，并根据两种协议来对与之相匹配的模板进行甄选，其相对较为完备的硬件平台参考示意图图3所示［3］。

图3 sink节点硬件平台结构示意图

根据上文所述，技术人员可以甄选嵌入式节点芯片，其不仅具有可视化的图形界面，而且其接口资源较为丰富。下表为Sink节点硬件参数表，以供参考（表1）。

表1 硬件参数参考表

4 无线传感器网络在环境监测中的实际应用分析

4.1 无线传感器网络在地质环境监测中的应用

在对当前的地质环境进行监测的过程中，无线传感器网络一般会被布置在一些相对较为特殊的地理位置，例如铁路运输线附近，其中最为经典的就是在青藏铁路运输线上的应用。由于青藏铁路运输线的特殊地理位置，其沿线一般多为冻土层，且位于无人区，倘若对此环境进行监测，将会消耗大量的人力物力以及财力，甚至会对地质环境监测人员的人身安全造成严重的威胁。因此，技术人员可以充分借助无线传感器网络来对其地质环境进行实时监测，利用无线传感器网络多跳的模式将监测的数据信息从其节点传输至基站，再由基站的汇合节点借助GPRS技术将数据信息传输到监控中心，并由监控中心的技术人员对所传输的数据信息进行详实的分析。同时，技术人员还在无线传感器网络中增加了地质灾害监测模板，可以对当地地质环境中的灾害进行有效的监测，在此过程中，无线传感器网络会通过GSM网络信息短信将地质灾害的数据信息进行实时发送，例如对滑坡灾害信息的传递。

4.2 无线传感器网络在大气环境监测中的应用

技术人员可以借助无线传感器网络来对大气环境中的气体成分进行监测分析，并切实测定出大气中各类气体的实际含量。若是在对其监测的过程中监测出大气污染物质超标，其可以自动进行预警，向有关污染防治部门进行警报传输，提醒其对大气污染物质进行处理。同时无线传感器网络在大气环境监测中，还可以对生活气体的成分进行监测，以此来协助生活环保部门编制出合理的环保预案。通常情况下，无线传感器网络可以不间断地运行21天至35天左右，其大气测定数据的传输速度约为150 kb/s，大气环境监测中的无线传感器网络节点之间相距约300 m。与以往的有线传感器网络相比较，无线传感器网络在无线传输技术的加持下，最大限度地减少了有线传感器的布置数量，并对大气环境进行全面的监测，切实提升大气环境监测的质量。

例如，美国加州大学的计算机系实验室曾与大西洋学院对大鸭岛的海鸟栖息地的大气环境进行监测，在对大气环境监测时所运用的技术就是无线传感器网络技术，其中涵盖了无线网络链接、分层系统架构以及相对隐蔽的设备。借助远端Mote网络对海岛上的动物栖息地进行监测，其能够借助环境光线等变化的传感器节点来构建无线传感器网络，以此来对海岛上的环境进行监测。对其进行布置的过程中，技术人员一共放置了32个传感器节点，技术人员借助Micamotes传感器来对环境数据进行采集。其所设定的数据传输策略为在指定的时间内利用传感器节点将数据传输至网关。MAC协议及路由表的设计规划如下。第一，路由为单跳路由；第二，其需要周期性地向基站报告电压。

4.3 无线传感器网络在工业环境监测中的应用

由于无线传感器网络自身的实际适用性，使得其亦可以在相对较为复杂且危险的工业环境中执行监测任务，例如矿井环境、石油开采环境以及核电站环境等。以矿井环境监测为例。随着人们物质生活水平的不断提升，其对于煤炭资源的需求量也在不断变大，使得我国煤矿开采工作得到了全面的发展。但是在煤矿开采过程中，经常发生一些生产安全事故，对我国当前煤炭行业的发展造成了极为严重的影响。当前我国煤炭矿井环境相对较为复杂，对矿井环境进行实时监测的难度也相对较大，与以往有线传感器网络监测相比，无线传感器网络更加容易在复杂的矿井环境中进行部署，由于其自身的能耗相对较小，使得其在矿井环境中的部署成本会相对较低，且数据传输速度也要相对较快［4］。

4.4 无线传感器网络在环境监测定位与数据采集中的应用分析

数据信息采集以及环境监测定位是当前环境监测工作最为基础的工作内容。无线传感器网络可以根据环境数据信息的采集程度，将数据采集频次以及指令信息进行控制，并将其内部数据传输到环境监测指挥中心。当无线传感器网络管理人员对其下达休眠指令时，环境监测设备会对其自身的运行状态进行调整，并降低自身的能耗［5］。但是无线传感器网络需要对数据的传输提供通道，使得其能耗会相对较大。因此，技术人员可以在一定程度上对各节点的传感器进行压缩，并将其已经处理好的信息数据传输到基站。

5 结论

综上所述，随着经济的发展与科技的进步，无线传感器网络得到了全面的发展，在当前的环境监测工作中得到了充分的应用。无线传感器网络是21世纪重要的技术之一，是可以对人类未来生活产生深远影响的新兴技术。在不远的未来，无线传感器网络势必会引发一场全新的技术革命。因此，技术人员需要对其进行详实的研究与分析，并将其运用到不同类型的环境监测工作之中，充分发挥其自身最大的实际应用价值。