初探环境监测中无线传感器网络的应用
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【摘 要】随着我国经济的快速发展，科学技术的不断进步，人们的环境意识不断增强，使得越来越多的机构将环境监测系统中无线传感技术的应用作物一项重要的研究内容。通过在环境监测空间内布置一定量的传感器节点，在无线网络作业下，实现对感知对象相关采集和传输，相对于传统环境监测措施来说，将无线传感器网络应用在环境监测系统中，有效提高系统性能，体现出较强的应用优势。本文根据环境监测系统自身架构，阐述无线传感器网络在典型应用领域的创新构建方案，从而实现环境监测系统的良好发展。
【关键词】环境监测系统;无线传感器网络;系统架构
一、无线传感器网络对环境监测应用的价值
1.为网络的组织性提供优质且快捷的网络活动
网络的优质性是利用其快捷掌握信息的优势，对无线传感进行快速的部署，优化配置资源。
2.信息采集数据利用路由传输
利用无线传感网络的技术的优势，在实现零耗损的基础下，将整体结构提高到一个更高的等级层次。
3.网络的强有力性、抵御摧毁性特定应用需要
网络具有强大的感染性，网络的遍布和迅速发展，使人类在生产生活中，对信息的要求越来越高，近年来国内外的从事相关行业的学者，纷纷对其作出实验研究，也相应的得到很大的进展。
二、关键技术研究
1.能量管理
應用于环境监测的无线传感器网络中的节点一般都采用电池供电，要求频繁更换电池或者频繁充电是不太现实的，因此在传感器网络中，能量消耗是一个需要十分仔细考虑的问题。节点节省能量的最主要方式是休眠机制。当节点目前没有传感任务并且不需要为其他节点转发传感数据时，关闭节点的无线通信模块、数据采集模块甚至计算模块以节省能量。这样，一个传感任务发生时，只有与之相邻的区域内的传感器节点处于活动状态，从而形成一个活动区域。活动区域随着数据向网关节点传送而移动，这样原先活动的节点在离开活动区域后可以转到休眠模式从而节省能量。另外，节点间也可以通过“轮换值班”来减少能量消耗。这些节点大部分时间都处于休眠状态，只是周期性苏醒过来发送数据或者检测信道的状态，以确定是否有属于自己的消息，但这种机制要求应用设计者在电池消耗和消息延迟之间做出权衡。
2.定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关的定位。其中基于距离的定位分为基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位和基于RSSI的定位等。距离无关的定位机制主要有质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法等。由于距离无关定位机制对节点的硬件要求较低，并且受环境因素的影响较小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的要求，是目前大家重点关注的定位机制。
3.数据融合技术
环境监测应用的最终目标是对监测环境的数据采样和数据收集。采样频率和精度由具体应用确定，并由控制中心向传感器网络发出指令。对于传感器节点来说，需要考虑采样数据量和能量消耗之间的折中。处于监控区域边缘的节点由于只需要将收集的数据发送给基站，能量消耗相对较少，而靠近基站的节点由于同时还需要为边缘节点路由数据，消耗的能量要多2个数量级左右。因此，边缘节点必须对采集到的数据进行一定的压缩和融合处理后再发送给基站。Intel实验室的实验中使用了标准的Huffman算法和Lempel-Ziv算法对原始数据进行压缩，使得数据通信量减少了2～4个数量级。如果使用类似于GSM语音压缩机制的有损算法进一步处理，还可以获得更好的压缩效果。
三、无线传感器网络在环境监测中的应用
1.矿井环境监测
对于煤矿企业而言，安全探测是十分重要的，特别是在需求量持续增长的前提下，在长期的开发与使用中，煤矿探测的安全问题愈发的引起了人们的重视。在无线传感器网络的支持下，可以很好的实现低成本的探测需求，并且可以在一定程度上提高矿井作业的安全属性。特别是Zig Bee技术的应用与推广，可以满足人们对于井下监控、数据分析、安全分析等综合需求。在近年来，技术人员将Zig Bee技术进行了细化和拓展，可以帮助人们直观的了解到井下的作业情况，这对于安全、高效作业目标的实现提供了较大的支持。
2.军事环境监测
无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和容错性高的特点，因此非常适合在军事领域应用，也是军事指挥、控制、通信、计算、情报、监视、侦察与目标捕获系统的重要组成部分。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场实时监视，目标定位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能，目前国际许多机构的课题都是以战场需求为背景展开的。信息技术必然是未来战争取胜的关键，目前已然有许多国家将该技术与军事研究相结合，帮助己方及时的获取对方的各项信息，从而及时的进行战略的调整。
3.自然环境监测
（1）大气环境监测
将无线传感网络用于监测大气环境，主要需要两部分的支持，分别是设备和相应的程序支持。设备包括一是传感器节点，主要是用于大气技术参数的监测和收集，还有相配套的放大电路;二是Sink节点，用来汇总数据及向基站传输数据;三是服务器，这其中需要两个服务，一个进行数据处理，一个用于数据传输。相应程序也就软件主要是由用于数据收集、处理和传输的相关模块组成，通常有串口通信、数据转换、数据统计等功能模块。它的优点是安装简单方便、布局灵活、维护容易、成本低。
（2）水环境监测
无线传感器网络的水环境监测系统的结构从功能上可以将水环境监测系统分成三级。第一级是以无线传感器网络为核心构造的数据采集网络系统，主要由数据采集节点和协调器节点以及测试仪构成;第二级是Zig Bee/GPRS网关系统，主要负责数据采集网络中的数据并远程发送，远程数据处理中心对数据采集网络控制命令的发送;第三级是远程数据处理中心系统，主要负责数据的处理分析和控制命令决策。在整个水环境监测系统中，无线传感器网络专注于探测和收集水环境的信息;而复杂的数据处理和存储等则交给远程数据处理中心来完成。主要包括以动态曲线的方式实现传感器信息的在线监测和大量水质数据的存储。
（3）地质监测
无线传感器网络在地质监测方面也有很广泛的应用。对于部分地质较为特殊的区域而言，有效的地质检测可以很好的促进该区域基础设施建设，如冻土环境下的交通设施建设，在人力无法实现的前提下，无线传感器网络则可以很好的实现。尤著宏等基于无线传感器网络的青藏铁路温度监测系统，采用多跳的方式将数据从传感节点传输至转发基站上的汇聚节点，再由汇聚节点利用 GPRS 网络发送至监控中心。
结语
无线传感器网络的设计虽然发展迅速，但是也存在很多问题，制约无线传感器网络设计的因素很多，包括节点功耗、传输网络、工作环境、拓扑结构、成本及容错等，在研究无线传感器网络的基础上，构建基于传感器网络的环境监测系统，其建设成本低、监测精度高、实时性强，推广使用方便。有助于解决当前环境监测中布线困难、实时性差等问题，有利于环境管理和决策。
参考文献
[1]刘佳，薛文，何坚强，王正中，高冈，戎非.无线传感器网络在环境监测中的应用[J].后勤工程学院学报，2011，03
[2]郭文强，张玉杰，侯勇严，付菊.无线传感器网络在环境监测系统中的设计与应用[J].陕西科技大学学报（自然科学版），2012，04
[3]吴烈国.基于无线传感器网络的水环境监测系统研究[D].中国科学技术大学，2014
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