基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境污染源探測與定位

李 震

山東省臨沂生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 山東 臨沂 276000

引言：如果我們從污染發(fā)生地,我國的情況來看,仍有許多工作要做,特別是在防治水污染方面,這些工作主要以預(yù)防為核心,并附有相關(guān)規(guī)定,限制人為的污染行為。雖然一些研究者專門研究水污染監(jiān)測系統(tǒng)和定位措施,包括遙感技術(shù)、水下機(jī)器人觀測系統(tǒng)和人工檢測,但這些方法都有一定的局限性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了更經(jīng)濟(jì)的傳感器的快速發(fā)展,使得數(shù)據(jù)處理和無線通信能夠在小體積內(nèi)融合信息采集。將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布到目標(biāo)區(qū)域,以無線方式接收信息,從而自發(fā)組織形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分包括傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)中心(網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控平臺),數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或多個(gè)跳轉(zhuǎn)將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)中心,無線傳感器系統(tǒng)具有無線通信、環(huán)境傳感和數(shù)據(jù)處理的能力,并具有自己的能量器件和傳感器功能來解決復(fù)雜的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為全球新發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的一部分,可以提供廣泛的應(yīng)用。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水環(huán)境定位的優(yōu)勢

與現(xiàn)有的深水自動實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢：

2.1 它是由自動裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),輻射小的無線信道和多跳通訊協(xié)議將水環(huán)境參數(shù)傳送至匯集節(jié)點(diǎn),基站通過高速實(shí)時(shí)傳輸通道的無線網(wǎng)絡(luò)將水環(huán)境參數(shù)傳送至監(jiān)控中心。

2.2 多點(diǎn)傳感器的使用 多點(diǎn)密集部署的傳感器可以在地理分布廣泛的區(qū)域內(nèi)檢測多種水環(huán)境因子,通過大規(guī)模處理相關(guān)信息,提高了測量精確度；

2.3 系統(tǒng)成本低 與現(xiàn)有的水系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室樣品分析相比,設(shè)備和人員的成本要低得多。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能有效地克服現(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測方法對水域原生態(tài)環(huán)境影響大、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)少、監(jiān)測范圍有限、系統(tǒng)價(jià)格昂貴、設(shè)備體積大、需預(yù)先鋪設(shè)電纜等缺點(diǎn),更適合對大范圍水域(如水庫、濕地、湖泊、江河、海洋等)的水環(huán)境進(jìn)行多點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3 傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 關(guān)于水網(wǎng)監(jiān)測,監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計(jì)對于監(jiān)測區(qū)域的有效探測和數(shù)據(jù)的有效傳輸至關(guān)重要?；赪eb的實(shí)時(shí)監(jiān)控已成為智能控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。為了對水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控,根據(jù)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),我們將建立實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),通過數(shù)據(jù)提取子系統(tǒng)、控制中心和應(yīng)急系統(tǒng)子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、管理和控制。記錄數(shù)據(jù)主要用于通過無線發(fā)射網(wǎng)絡(luò)采集水環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行姆?wù)器,幫助主管部門高效地確定水環(huán)境狀況,更快地檢測水環(huán)境的變化?？刂浦行牡姆?wù)器處理來自數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有信息,以確定傳感器節(jié)點(diǎn)的位置并發(fā)出警報(bào)。第二,控制中心必須對水的行為進(jìn)行分析,以便預(yù)測這種環(huán)境的趨勢。最后,控制中心必須實(shí)時(shí)顯示水監(jiān)測信息,并將所有信息存儲在web服務(wù)器上。最終反映系統(tǒng)允許遠(yuǎn)程用戶,包括管理部門,通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測中心的水監(jiān)測信息,并制定適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù) 傳輸網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)受限,動態(tài)變化,部分原因是環(huán)境的變化和節(jié)點(diǎn)本身的能耗。為了節(jié)約節(jié)點(diǎn)的能耗,同時(shí)也能應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)的變化,我們提出了一種真正基于數(shù)據(jù)的驅(qū)動策略：如果我們通常以節(jié)點(diǎn)能量和節(jié)點(diǎn)的最高通信范圍為目標(biāo),選擇持久的連接結(jié)構(gòu)。如果現(xiàn)場測量異常數(shù)據(jù)(高于平均值),觸發(fā)短鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以異常值的節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn),沿水流方向激活周圍節(jié)點(diǎn),以精確控制異常環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.3 路由協(xié)議 與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)不同,路由節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)傳輸問題必須包括在內(nèi)。同時(shí)考慮了水體流動單向特性,根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置關(guān)系的MAC層協(xié)議,以降低系統(tǒng)的傳輸頻率；在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有容量時(shí),在使用數(shù)據(jù)的動態(tài)方法的基礎(chǔ)上達(dá)成協(xié)議。

4 網(wǎng)絡(luò)上的無線傳感器

在水污染監(jiān)測與定位應(yīng)用中,在較低的損耗代價(jià)下,及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染并定位污染源的前提是合理有效的覆蓋策略。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋和應(yīng)用背景不同的情況下,該策略的主要目標(biāo)功能上主要分為故障元素的早期檢測和更好的響應(yīng)如何監(jiān)控環(huán)境中的動態(tài)事件。前者主要集中在無線傳感器中目標(biāo)的檢測與跟蹤問題,后者主要集中在對無線傳感器周圍環(huán)境的監(jiān)測上。充分覆蓋的主要目標(biāo)特別是提高網(wǎng)絡(luò)的可感知性,實(shí)現(xiàn)地表以外的現(xiàn)有覆蓋,以及實(shí)現(xiàn)地圖和感知能力或其他目標(biāo)。從覆蓋策略依據(jù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署方式分,可分為確定性網(wǎng)絡(luò)覆蓋部署與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)覆蓋部署。為了延長網(wǎng)絡(luò)的壽命周期,覆蓋策略?？紤]網(wǎng)絡(luò)能耗。

5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)污染源定位

無線發(fā)射器位置的問題可分為兩大類,一方面關(guān)于在無線發(fā)射器網(wǎng)絡(luò)中操作的節(jié)點(diǎn),另一方面關(guān)于知道網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的位置的網(wǎng)絡(luò)中的特定錨節(jié)點(diǎn)的位置,連接到錨節(jié)點(diǎn)位置；其中一個(gè)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)地址,該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)目標(biāo)源釋放信號,電磁強(qiáng)度或擴(kuò)散物濃度等信息,確定目標(biāo)源的位置。節(jié)點(diǎn)分為路徑或路徑傳感器算法,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的位置確定和目標(biāo)方向之間具有相似性。所有這些都需要節(jié)點(diǎn)鏈接到目標(biāo)地址的“直接”信息。節(jié)點(diǎn)本身確定指向目標(biāo)的已知坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度,并使用縱向信息將該信息轉(zhuǎn)換到目標(biāo)。

結(jié)語

在許多監(jiān)測工作中,污染源不僅限于靜止?fàn)顟B(tài),如泄漏監(jiān)測、化學(xué)污染源追蹤等,電磁源和光源、散射體在介質(zhì)中的遷移和降解速度慢,導(dǎo)致濃度觀測的延遲和累積散射效應(yīng)。固定位置釋放擴(kuò)散體的擴(kuò)散過程持續(xù)時(shí)間長,使得目標(biāo)在運(yùn)動過程中受殘余信息影響的濃度檢測更加困難。