无线传感器网络在环境监测系统中的研究与应用
蒋丹 董欣
摘要：环境监测系统在多个领域已有重要应用，为了充分发挥该系统的应用价值，应加强对无线传感器网络在系统中应用的研究。本文主要围绕系统分析、系统应用特点及其架构、关键技术的研究三个方面展开讨论，详细分析了无线传感器在环境监测上的应用优势.根据环境监测系统自身架构，阐述了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
中图分类号：X84 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0166-01
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.097
Abstract： Environmental monitoring system has important applications in many fields. In order to give full play to the application value of the system， the research on the application of wireless sensor network in the system should be strengthened. This paper mainly discusses the application of wireless sensor in environmental monitoring based on the three aspects of system analysis， system application characteristics， architecture and key technologies. Based on the architecture of the environment monitoring system， the paper expounds that wireless sensor network Typical application areas of innovative construction programs， so as to achieve the good development of environmental monitoring system.
Keywords： Environmental monitoring system； Wireless sensor network； System architecture
随着科学技术的快速发展以及人们环境保护意识的增强，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为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，可在无线网络作用下，实现对感知对象相关信息的采集和传输，相对于传统环境监测措施来讲，将无线传感器网络应用在环境监测系统中，可有效提高系统性能，体现出较强的应用优势。
1 系统分析
将无线传感器网络应用在环境监测系统中，能起到提高系统性能的作用。环境监测系统内利用的传感器网络是一种层次型的网络结构，在其底层布置了多个传感器节点。在节点的作用下，可将对象相关信息传输至终端设备上，进而对环境情况有一定掌握。传感器节点主要由处理器模块、能量供应单元等组成，为了保证数据获取的准确性，一般要求传感器节点布置保持较大密度，进而形成传感器网络。传感器节点主要起到传输数据的作用，逐步将对象信息传送至基站上。传输网络作为负责协调不同传感器节点和综合节点信息的网络系统，在环境监测上具有较好的应用效果。
2 系统应用特点及其架构
2.1 系统特点
在对传感器网络应用在环境监测系统上的特点进行分析时，可发现主要体现在以下方面：第一，适用于环境恶劣或者远距离情况下相关信息的收集和传输，保证监测系统数据提供的准确性；第二，考虑到生物群种对外来因素較为敏感，直接进行生态环境的监测可能对环境完整性造成破坏，不能保证对生态环境信息的有效掌握，这时可应用传感器网络来进行环境监测；第三，当需要进行大范围的信息监测时，对网络覆盖率要求较高，这时应采用无线传感器技术来进行环境监测及控制；第四，传感器网络有着数据储存和整合能力，可将大量数据存储到数据库中，并且具有数据分析功能。
2.2 系统架构
（1）矿井安全监控。无线传感器网络可应用在矿井的环境监测中，传感器节点可进行相关数据的采集，包括瓦斯、气压、风速和CO等，之后将数据由井下基站以及地面控制终端传送至监控中心[1]。相关工作人员能及时根据监测数据对矿井情况有一定掌握，进而保证指挥调度和安全监测等工作的顺利进行，在安全事故预防上有重要作用。（2）生态环境监测。除了在矿井环境监测上有一定应用价值外，无线传感器网络还可应用到生态环境的监测上，并已经取得较好的应用效果。例如，美国加州大学便针对生态环境监测展开了相关试验，该研究组在进行生态环境监测的岛屿上布置了多个传感器节点，由此组成传感器网络，同时在节点上布置了不同类型的传感器，以便对海岛上多种类型的生态环境数据进行监测。如使用数字温度传感器、光敏传感器等，可对海燕巢穴的环境情况有所了解，而应用能耗较低的红外传感器来监测巢穴使用状况，能帮助相关人员充分掌握生态环境信息。（3）智能家居。在对无线传感技术的应用进行分析时，发现其在家居环境监测中同样体现出一定的应用价值。通过在家电或者家具上布置传感器节点，之后将无线网络与控制终端结合起来，这时用户可在远程监控系统的作用下，实现对家电的远程控制，使得家电控制不会受到时间和空间的限制。例如，用户可根据自身生活习惯，控制家电的运行时间，能减少用户的等待时间，进而为其提供较为舒适的家居环境，可实现人们生活质量的提高。
3 关键技术的研究
3.1 能量管理
使用在环境监测上的传感器节点通常采用电池供电，为了避免电池的频繁更换，有必要加强对能量管理的重视。节约能量的基础措施为设置休眠机制，当传感器节点不进行信息传输时，应关闭节点对应的通信模块以及数据收集模块来节省能量。这时当传感任务产生时，其相邻区域的节点将处于活动状态，并组成一个节点活动区域。活动区域会随着数据的传输途径而发生变化，这种情况下原本处于活动状态的节点在任务结束后将再次传变为休眠模式。另外，不同节点间可通过轮流作业来降低能量损耗。这些传感器节点大多数时间将处于休眠状态，将发生周期性活动来发送数据或者监测信道状态，进而判断有无需要其传送的数据信息[2]。
3.2 定位技术
定位技术是指传感器节点将对象位置信息传送至控制端。位置信息作为节点收集数据中的重要组成部分，在环境监测上有重要意义。明确事件发生位置以及获取数据节点位置是无线传感器网络具备的基础功能之一。为了提供准确、有效的位置信息，布置在对象附近的传感器节点应能确定自身位置，并根据自身位置来判断对象的位置信息。在定位过程中可能需要测量不同节点间角度或距离，根据实际情况，将传感器网络定位分为与距离无关定位或者在距离基础上进行的定位操作。与距离有关的位置确定包括基于AOA定位、基于TOA定位等，而与距离无关定位有质心算法和APIT等。由于不受距离影响的定位机制对传感器网络的硬件要求不高，不易受环境因素的影响，是一种应用较为广泛的定位机制。
3.3 数据融合技术分析
进行环境监测的最终目的在于对环境数据收集和分析。在数据采样过程中，采样频率及精度应根据具体情况来确定，之后由基站向传感器节点发布指令。对于传感器节点来讲，应尽可能保证数据收集量和能量消耗间维持平衡。應用在监控区域范围内的节点只需要将数据输送至控制中心即可，能量损耗相对较少；而与控制中心距离较近的传感器节点在传输数据的同时，还需要为其他节点提供数据传输途径，能量消耗较大。针对这一问题，要求其余节点应在对收集的数据进行压缩及融合后再传输至基站。例如，通过利用Lempel- Ziv算法对网络中数据进行压缩后，能明显减少数据的数量级，进而促使环境监测系统的高效运行。
4 结论
综上所述，环境监测属于传感器网络应用的一种，在实际应用中包括远程控制、节点布置以及通信传输等关键技术。由于传感器技术具有一定的应用相关性，需要结合实际应用情况来应用相关技术，从而保证良好应用效果的实现。同时在无线传感器技术逐渐发展成熟的背景下，将其应用在军用传感网络中可对战场态势进行监控，还可应用在大型商场等场所，以便提高其安全性，为人们生活带来一定便利。
参考文献
[1]赵海涛.无线传感器网络在环境监测系统中的主要应用[J].黑龙江科技信息，2015（26）：15.
[2]郑龙，金光，钮俊.无线传感器信息融合在环境监测系统中的应用[J].无线通信技术，2015，24（02）：29-33.
[3]张洋. 无线传感器网络在文物保护环境监测系统中的研究[D].济南：山东建筑大学，2013.
[4]王海芹，高世楫.生态环境监测网络建设的总体框架及其取向[J].改革，2017，（05）：15-34.
收稿日期：2018-01-10
作者简介：蒋丹（1981-），女，本科，工程师，研究方向为环保。
摘要：环境监测系统在多个领域已有重要应用，为了充分发挥该系统的应用价值，应加强对无线传感器网络在系统中应用的研究。本文主要围绕系统分析、系统应用特点及其架构、关键技术的研究三个方面展开讨论，详细分析了无线传感器在环境监测上的应用优势.根据环境监测系统自身架构，阐述了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
中图分类号：X84 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）03-0166-01
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.03.097
Abstract： Environmental monitoring system has important applications in many fields. In order to give full play to the application value of the system， the research on the application of wireless sensor network in the system should be strengthened. This paper mainly discusses the application of wireless sensor in environmental monitoring based on the three aspects of system analysis， system application characteristics， architecture and key technologies. Based on the architecture of the environment monitoring system， the paper expounds that wireless sensor network Typical application areas of innovative construction programs， so as to achieve the good development of environmental monitoring system.
Keywords： Environmental monitoring system； Wireless sensor network； System architecture
随着科学技术的快速发展以及人们环境保护意识的增强，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为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，可在无线网络作用下，实现对感知对象相关信息的采集和传输，相对于传统环境监测措施来讲，将无线传感器网络应用在环境监测系统中，可有效提高系统性能，体现出较强的应用优势。
1 系统分析
将无线传感器网络应用在环境监测系统中，能起到提高系统性能的作用。环境监测系统内利用的传感器网络是一种层次型的网络结构，在其底层布置了多个传感器节点。在节点的作用下，可将对象相关信息传输至终端设备上，进而对环境情况有一定掌握。传感器节点主要由处理器模块、能量供应单元等组成，为了保证数据获取的准确性，一般要求传感器节点布置保持较大密度，进而形成传感器网络。传感器节点主要起到传输数据的作用，逐步将对象信息传送至基站上。传输网络作为负责协调不同传感器节点和综合节点信息的网络系统，在环境监测上具有较好的应用效果。
2 系统应用特点及其架构
2.1 系统特点
在对传感器网络应用在环境监测系统上的特点进行分析时，可发现主要体现在以下方面：第一，适用于环境恶劣或者远距离情况下相关信息的收集和传输，保证监测系统数据提供的准确性；第二，考虑到生物群种对外来因素較为敏感，直接进行生态环境的监测可能对环境完整性造成破坏，不能保证对生态环境信息的有效掌握，这时可应用传感器网络来进行环境监测；第三，当需要进行大范围的信息监测时，对网络覆盖率要求较高，这时应采用无线传感器技术来进行环境监测及控制；第四，传感器网络有着数据储存和整合能力，可将大量数据存储到数据库中，并且具有数据分析功能。
2.2 系统架构
（1）矿井安全监控。无线传感器网络可应用在矿井的环境监测中，传感器节点可进行相关数据的采集，包括瓦斯、气压、风速和CO等，之后将数据由井下基站以及地面控制终端传送至监控中心[1]。相关工作人员能及时根据监测数据对矿井情况有一定掌握，进而保证指挥调度和安全监测等工作的顺利进行，在安全事故预防上有重要作用。（2）生态环境监测。除了在矿井环境监测上有一定应用价值外，无线传感器网络还可应用到生态环境的监测上，并已经取得较好的应用效果。例如，美国加州大学便针对生态环境监测展开了相关试验，该研究组在进行生态环境监测的岛屿上布置了多个传感器节点，由此组成传感器网络，同时在节点上布置了不同类型的传感器，以便对海岛上多种类型的生态环境数据进行监测。如使用数字温度传感器、光敏传感器等，可对海燕巢穴的环境情况有所了解，而应用能耗较低的红外传感器来监测巢穴使用状况，能帮助相关人员充分掌握生态环境信息。（3）智能家居。在对无线传感技术的应用进行分析时，发现其在家居环境监测中同样体现出一定的应用价值。通过在家电或者家具上布置传感器节点，之后将无线网络与控制终端结合起来，这时用户可在远程监控系统的作用下，实现对家电的远程控制，使得家电控制不会受到时间和空间的限制。例如，用户可根据自身生活习惯，控制家电的运行时间，能减少用户的等待时间，进而为其提供较为舒适的家居环境，可实现人们生活质量的提高。
3 关键技术的研究
3.1 能量管理
使用在环境监测上的传感器节点通常采用电池供电，为了避免电池的频繁更换，有必要加强对能量管理的重视。节约能量的基础措施为设置休眠机制，当传感器节点不进行信息传输时，应关闭节点对应的通信模块以及数据收集模块来节省能量。这时当传感任务产生时，其相邻区域的节点将处于活动状态，并组成一个节点活动区域。活动区域会随着数据的传输途径而发生变化，这种情况下原本处于活动状态的节点在任务结束后将再次传变为休眠模式。另外，不同节点间可通过轮流作业来降低能量损耗。这些传感器节点大多数时间将处于休眠状态，将发生周期性活动来发送数据或者监测信道状态，进而判断有无需要其传送的数据信息[2]。
3.2 定位技术
定位技术是指传感器节点将对象位置信息传送至控制端。位置信息作为节点收集数据中的重要组成部分，在环境监测上有重要意义。明确事件发生位置以及获取数据节点位置是无线传感器网络具备的基础功能之一。为了提供准确、有效的位置信息，布置在对象附近的传感器节点应能确定自身位置，并根据自身位置来判断对象的位置信息。在定位过程中可能需要测量不同节点间角度或距离，根据实际情况，将传感器网络定位分为与距离无关定位或者在距离基础上进行的定位操作。与距离有关的位置确定包括基于AOA定位、基于TOA定位等，而与距离无关定位有质心算法和APIT等。由于不受距离影响的定位机制对传感器网络的硬件要求不高，不易受环境因素的影响，是一种应用较为广泛的定位机制。
3.3 数据融合技术分析
进行环境监测的最终目的在于对环境数据收集和分析。在数据采样过程中，采样频率及精度应根据具体情况来确定，之后由基站向传感器节点发布指令。对于传感器节点来讲，应尽可能保证数据收集量和能量消耗间维持平衡。應用在监控区域范围内的节点只需要将数据输送至控制中心即可，能量损耗相对较少；而与控制中心距离较近的传感器节点在传输数据的同时，还需要为其他节点提供数据传输途径，能量消耗较大。针对这一问题，要求其余节点应在对收集的数据进行压缩及融合后再传输至基站。例如，通过利用Lempel- Ziv算法对网络中数据进行压缩后，能明显减少数据的数量级，进而促使环境监测系统的高效运行。
4 结论
综上所述，环境监测属于传感器网络应用的一种，在实际应用中包括远程控制、节点布置以及通信传输等关键技术。由于传感器技术具有一定的应用相关性，需要结合实际应用情况来应用相关技术，从而保证良好应用效果的实现。同时在无线传感器技术逐渐发展成熟的背景下，将其应用在军用传感网络中可对战场态势进行监控，还可应用在大型商场等场所，以便提高其安全性，为人们生活带来一定便利。
参考文献
[1]赵海涛.无线传感器网络在环境监测系统中的主要应用[J].黑龙江科技信息，2015（26）：15.
[2]郑龙，金光，钮俊.无线传感器信息融合在环境监测系统中的应用[J].无线通信技术，2015，24（02）：29-33.
[3]张洋. 无线传感器网络在文物保护环境监测系统中的研究[D].济南：山东建筑大学，2013.
[4]王海芹，高世楫.生态环境监测网络建设的总体框架及其取向[J].改革，2017，（05）：15-34.
收稿日期：2018-01-10
作者简介：蒋丹（1981-），女，本科，工程师，研究方向为环保。
