無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應用

王慧瑩

（河南省駐馬店市新蔡縣環(huán)境保護監(jiān)測站，河南 新蔡 463500）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國民生活水平的大幅度提升，人們對生活居住環(huán)境質(zhì)量提出了更高的標準和要求，環(huán)保意識越來越強。環(huán)境保護問題是現(xiàn)階段我國人民熱切關(guān)注的重點問題，也是實現(xiàn)我國可持續(xù)性發(fā)展必須解決的問題，而改善人民群眾生活、建設(shè)美麗中國是我國政府工作努力的重要方向，所以要重視環(huán)境的監(jiān)測工作。如今，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中應用越來越廣泛，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對各類傳感器進行非常及時的監(jiān)控，并利用嵌入式的方式對獲取的數(shù)據(jù)進行分析處理，最終將處理完的數(shù)據(jù)借助信息網(wǎng)絡(luò)傳達到遠程環(huán)境監(jiān)測中心，有利于對環(huán)境進行實時監(jiān)測。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應用優(yōu)勢分析

在環(huán)境監(jiān)測中應用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有如下幾個方面的優(yōu)勢特征。首先，其能夠為網(wǎng)絡(luò)組織提供非常迅速的網(wǎng)絡(luò)活動，而且網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)性能夠通過其快速把握信息的優(yōu)勢，可以在非常短的時間內(nèi)進行無線傳感的部署及設(shè)置，有利于資源的優(yōu)化配置。其次，網(wǎng)絡(luò)具備非常強的應用需求。網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展及在各個領(lǐng)域的普遍應用，極大地方便了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活，讓人們的生產(chǎn)生活發(fā)生了翻天覆地的變化，一定程度上也讓人們在生活過程中對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了極大的依賴，使人們對信息的要求越來越高。另外，信息采集數(shù)據(jù)通過路由進行傳輸，能夠充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，可以在零損耗的基礎(chǔ)上，將整體結(jié)構(gòu)提升到一個更高的層次。有關(guān)人員進行了大量的科學研究發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境監(jiān)測中應用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常關(guān)鍵，其可以在環(huán)境監(jiān)測過程中獲取更多的有效信息，也能夠有效滿足網(wǎng)絡(luò)抵御強有力以及摧毀性特定應用的需求，有利于環(huán)境監(jiān)測的探索及發(fā)展，在環(huán)境監(jiān)測過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，所以要重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應用研究。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應用現(xiàn)狀研究

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展進步，以及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，我國環(huán)境監(jiān)測過程中，越來越多地應用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種比較新的方法，這一定程度上轉(zhuǎn)變了人們對自然世界的認知方式，其架構(gòu)起計算機網(wǎng)絡(luò)和真實物理世界溝通交流的橋梁。20世紀80年代，西方很多國家都建立現(xiàn)代化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在環(huán)境監(jiān)測過程中，無線傳感器并不需要固定的網(wǎng)絡(luò)進行支持，其能夠非常迅速地鋪設(shè)，而且具備一定的抗毀性，在環(huán)境建設(shè)過程中應用非常廣泛。無線傳感器能夠有效監(jiān)測環(huán)境，可以及時完成環(huán)境監(jiān)測的任務，并且不需要深入環(huán)境監(jiān)測地段，這非常有利于對環(huán)境的保護。無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測過程中的有效應用，盡可能地避免了對環(huán)境的破壞，而且能夠為后續(xù)環(huán)境監(jiān)測提供模型依據(jù)，能夠完成傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測不能完成的任務，使用無線傳感器進行環(huán)境監(jiān)測是當今世界的潮流。目前無線傳感器在我國環(huán)境監(jiān)測等有關(guān)部門并沒有被大規(guī)模地應用，因為無線傳感器是新興的事物，其發(fā)展及應用需要經(jīng)歷一段時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應用過程中有些關(guān)鍵技術(shù)并沒有真正解決，國內(nèi)對無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應用仍然處于起步階段，而由于無線傳感器在不同的場合會存在不同的技術(shù)問題，所以在無線傳感使用過程中其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及傳感器節(jié)點等都需要進行不同的設(shè)計，要遵循不同設(shè)計要求。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)以及特點分析

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層，主要負責信號的調(diào)制以及收發(fā)，比如紅外線等。數(shù)據(jù)鏈路層主要是負責數(shù)據(jù)成幀以及數(shù)據(jù)成幀的檢測工作。媒體對協(xié)議進行訪問能有效保證可靠的點對點以及點對多的通信，而插座控制最重要的目的是節(jié)點收到信息以及確保源節(jié)點完全相同的機制保障，有效保證信息的一致性。網(wǎng)絡(luò)層主要是保障無線節(jié)點通信技術(shù)與能量的傳遞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳入信息絕大多數(shù)情況下都以多跳的方式完成傳遞，所以網(wǎng)絡(luò)層最重要的工作是路由的發(fā)現(xiàn)、路由選擇以及路由的維護等。傳輸層主要是指為有效保障通信服務質(zhì)量，由傳輸層借助對數(shù)據(jù)流的有效控制來完成，要保證整個網(wǎng)絡(luò)信息的流量能夠在可以控制的范圍之內(nèi)保持暢通，要讓基站能夠比較順利地收集到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點所發(fā)送的信息。應用層中涵蓋各種各樣的應用軟件，其能夠為應用軟件的開發(fā)提供非常有效的開發(fā)條件及開發(fā)工具。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系中還有能量管理平臺、移動管理平臺以及任務管理平臺，三大平臺都發(fā)揮著至關(guān)重要的功能及作用。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征分析

3.2.1 硬件資源非常有限

無線傳感器節(jié)點會受制于成本計算能力、存儲空間、體積耗能等，而且其電池容量一般比較小，而無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測過程中并不能頻繁地更換電池，有的環(huán)境監(jiān)測點甚至不可能更換電池，這一定程度讓無線傳感器節(jié)點硬件的有限能源成為非常寶貴的資源，經(jīng)常會出現(xiàn)節(jié)點能量耗盡成為死節(jié)點的問題。另外，由于存儲器的容量不夠大，也是造成無線傳感器硬件資源有限的重要原因。隨著微機電子系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，低耗能、微型、高度集成以及價格比較低的無線傳感器節(jié)點會不斷地出現(xiàn)并涌入市場，這一定程度上為無線傳感器的可持續(xù)性發(fā)展提供了有力支持。

3.2.2 無中心、自組織以及協(xié)作式的無線網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與傳統(tǒng)的一般意義上的無線網(wǎng)絡(luò)有非常大的差異。當無線傳感器節(jié)點被設(shè)置在被監(jiān)控區(qū)域內(nèi)時，其并不會依賴其他的設(shè)施設(shè)備，節(jié)點開機之后，會通過已存入的節(jié)點中的算法以及協(xié)議自動進行自我定位、自我配置以及自我管理，并借助拓撲控制機制以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動組成一個相對獨立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。自動組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個沒有中心的對等網(wǎng)，在這種網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的關(guān)系處于比較平等的狀態(tài)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會通過協(xié)作式的方式進行工作，可以對感知對象從多個角度以及不同位置進行感知活動。而借助節(jié)點之間的協(xié)作，一定程度上能夠讓信息傳輸更加快速而且非常準確、有效，使能量能夠有效地進行保留。

3.2.3 節(jié)點數(shù)量比較密集

大多數(shù)情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中會有一定數(shù)量的節(jié)點，而且會比較均勻地布設(shè)在監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，其具備非常高的精確度。由于節(jié)點與節(jié)點之間的類型存在一定的差異，節(jié)點可以借助合理的休眠來不斷延長網(wǎng)絡(luò)生命。一個節(jié)點被損壞，其他節(jié)點并不會受到影響，這一定程度上會讓整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于安全可靠的狀態(tài)，其具有一定的操作性，有良好的抗毀性，所以對單個節(jié)點的安全可靠性要求并不高。另外，無線傳感器具有一定的動態(tài)性。其節(jié)點由于能量有限會成為死亡節(jié)點或者切換至休眠的狀態(tài)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備非常好的自我組織能力以及協(xié)調(diào)能力，其不會影響到網(wǎng)絡(luò)信息的有效采集，這是在無線傳感器應用過程中，其他網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢。

3.2.4 靈活性比較高

無線傳感器靈活性非常高，絕大多數(shù)情況下，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)需要布設(shè)對應的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備作為支持，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠隨時隨地進行鋪設(shè)，隨時可以有效利用，并且不會受到時間及地點的限制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點在不會受到其他任何干預的條件下自組網(wǎng)，無需人工干預的特點讓其能夠更加適應較為惡劣的工作環(huán)境，而且不需要人工進行值守。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用的是無線傳輸技術(shù)，其有利于節(jié)省有線鋪設(shè)帶來的成本問題，隨著無線傳感技術(shù)的不斷發(fā)展進步，其經(jīng)濟性以及性價比會越來越高，應用會越來越廣泛。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應用分析

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事環(huán)境監(jiān)測中的具體應用分析

由于無線傳感器具備能夠迅速部署、良好隱蔽性以及能夠自主組織的優(yōu)勢特征，其在軍事領(lǐng)域中被廣泛應用；同時，其一定程度上還是軍事指揮與控制、計算與情報、目標采集以及偵測等系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對敵人兵力及裝備設(shè)備的有效監(jiān)督及控制，可以對戰(zhàn)場進行實時的監(jiān)測及管理，能夠及時準確地對目標進行定位，可以對戰(zhàn)場情況進行有效的評估。目前國際上很多課題都是以戰(zhàn)爭需求的研究為主，西方很多國家都持續(xù)進行研究計劃，尋求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來戰(zhàn)爭中的科學應用，而通過在戰(zhàn)場中對不同類型的無線傳感器進行布設(shè)，會構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，這有利于在戰(zhàn)爭進行過程中士兵能夠非常迅速地獲取戰(zhàn)場的實際情況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應用過程中并不需要依靠其他基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，其具備非常強大的自組織以及配置的特征，能夠靈活地適應設(shè)備發(fā)展，并且能夠管理無線傳感器進行節(jié)點的移動，可以對任務以及網(wǎng)絡(luò)需求進行非常靈活且有效地反應，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會變成未來戰(zhàn)場中的電子眼，要注重無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的具體應用研究。

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井環(huán)境監(jiān)測中的具體應用分析

我國煤礦生產(chǎn)安全事故時有發(fā)生，加強礦井下的安全監(jiān)測至關(guān)重要。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活過程中對煤炭需求量日益旺盛，煤礦生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展十分迅速。目前，煤炭礦井結(jié)構(gòu)呈復雜化發(fā)展，在礦井下進行安全監(jiān)測難度變大。較之傳統(tǒng)的有線安全監(jiān)測方式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易在礦井下部署。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗比較低，而且傳輸快速，成本較低，非常容易構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進行礦井安全生產(chǎn)的監(jiān)測設(shè)計，有利于實現(xiàn)功放傳感，而且其具備定位及安全警告燈的功能，有利于保證礦井的安全生產(chǎn)，所以要重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井環(huán)境監(jiān)測中的具體應用研究。

4.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在自然環(huán)境監(jiān)測中的具體應用分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在自然環(huán)境監(jiān)測中的具體應用，有利于實現(xiàn)對自然環(huán)境進行監(jiān)測，比如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大氣監(jiān)測系統(tǒng)中的有效應用，能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣環(huán)境的實時監(jiān)測?，F(xiàn)階段應用的氣體成本監(jiān)測系統(tǒng)存在很多的不足，比如系統(tǒng)比較大，安裝困難，監(jiān)測的終端并不能通過通信基礎(chǔ)設(shè)施進行無線通信，監(jiān)控終端和主控終端需要通過有線進行通信，必須要在監(jiān)測區(qū)域進行布線等。而利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對大氣進行實時的監(jiān)測，可以充分發(fā)揮無線傳感器的優(yōu)勢。不同的傳感器發(fā)揮探頭優(yōu)勢，能夠非常及時地檢測到大氣中有關(guān)氣體的含量。根據(jù)各個數(shù)據(jù)節(jié)點收集到的風向以及氣體濃度等參數(shù)進行研究分析，能夠在第一時間內(nèi)了解大氣中的有毒氣體泄漏的情況。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)既可以在多溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中進行應用，也能夠在單個溫室環(huán)境監(jiān)測軟件中進行應用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水環(huán)境監(jiān)測過程中的具體應用，同樣具備非常大的應用優(yōu)勢。由于無線傳感器包含傳感器、計算機單元以及通信模塊的節(jié)點，而且能夠通過自主形式組成網(wǎng)絡(luò)，并且借助節(jié)點里面內(nèi)設(shè)的各種傳感器監(jiān)測四周環(huán)境的熱、紅外光、有毒物質(zhì)含量等數(shù)據(jù)信息，而且架設(shè)非常簡單方便，其不需要電纜等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的支持。另外，無線傳感器節(jié)點的價格比較低，能夠科學合理地在水域環(huán)境中進行部署，可以通過節(jié)點采集信息空間的信息，能夠獲取比較精準的環(huán)境信息，其在水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測過程中應用越來越廣泛。

5 結(jié)束語

總之，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展完善，其在環(huán)境監(jiān)測過程中應用越來越廣泛。而且人們越來越關(guān)注環(huán)境問題，需要采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應用有利于信息數(shù)據(jù)的獲取，能夠提升環(huán)境監(jiān)測效率，所以要重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應用研究，不斷提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用水平。