无线传感器网络在环境监测系统中的研究与应用

郑文全

摘要：近几年，国家对环境保护工作愈加重视，环境监测也开始得到社会各界的关注。如果我们能够将各种新科技运用到环境监测的过程中，那么我们的环境监测工作便很有可能达到事半功倍的效果。环境监测，未来的主要努力方向在远程监测系统的使用上，环境监测本身也日渐呈现出网络化、自动化和智能化的发展趋势，而这种趋势也正是半导体技术、无线通信技术等学科不断取得突破的必然结果。本文的研究重点是无线传感器网络在环境监测中的应用问题，希望能够为相关人员提供一定帮助。

关键词：无线传感器网络；环境监测系统；研究与应用

引言：无线传感器网络技术的不断发展，为我们实现更高效的环境监测工作创造了良好的条件，环境监测领域的很多企业和机构也都已经发现了无线传感器网络技术的巨大优势，并致力于将这种先进技术应用于本公司的环境监测工作之中。它的优势主要体现在三个方面：能够迅速而低廉的开展区域内的监测网建设工作；能够实现对大量监测数据的迅速采集、管理和分析；系统的稳定性强。

1.研究对象

云南省气候非常特殊，地跨北热带、南亚热带、中亚热带、亚热带、暖温带、中温带和高原气候区七个温度气候区域，总体来说，云南境内的气候受到纬度和海拔的影响较大。夏季最高平均气温在19到22度左右，冬季最低平均气温在6到8度以内，年温差为10到15度。境内受地形和季风影响，降水非常充沛，但降水时间分布不均，干湿分明，夏季为湿季，降水量大，其中6到8月的降水量约占全年总降水量的60%，冬春季节为旱季，降水量只占全年的10%到20%左右，云南境内地势高低起伏，落差较大，大致上呈现北高南低的状态，河流纵横，分布广泛，大小河流共600多条，很多河流在陡峭的峡谷之间来回穿梭，落差较大，水能资源丰富。云南土质属于亚系红壤土质，有三大特点： 酸性土壤，土壤的粘性较大，有机质含量较少，大多数土壤都需要经过一些物理手段或化学手段进行改良才能被用于农业生产。云南富有“动植物王国”的美誉，生物多样性雄居全国之首，是中国17个生物多样性关键地区之一，也是全球34个物种最丰富的热点地区之一，是中国重要的西南生态安全屏障。

2.无线传感器网络的含义和特点

无线传感器网络是一种分布式传感网络，是多种技术的综合体，它同时使用了无线通信技术、传感器技术和计算机技术。无线传感器网络内含大量或处于静止状态或处于移动状态的节点，这些节点又以自组织或多跳的方式连接在一起，共同完成对监测对象的数据采集工作，图1展示了无线传感器网络的基本工作流程。

图一 无线传感器网络的基本工作流程

相对于传统网络和其他的传感器，它展现了以下三个比较明显的特点：第一，自由的组建方式。无线网络传感器的组建不受到时间和空间的限制，非常灵活自由，不论组建者位于何时何地，都能够根据需要快速建立一个功能健全的网络体系。第二，网络拓扑结构可以变化，组成网络拓扑结构的传感器节点的数量不是固定的，可以随时增加或者减少，相应的无线传感器的网络拓扑结构也能够发生一定的变化。第三，控制方式不集中。各个传感器节点之间的控制方式相对分散，各主机独立运行，互不干扰。因此，无线传感器网络的稳定性较强，不容易被破坏。第四，较低的安全性。大多数无线传感器网络的节点均暴露在外，使得无线传感器网络的安全性不足。传统网络与无线传感器网络的其他不同如下表所示：

表1 传统的网络与无线传感器网络的比较

3.无线传感器网络在环境监测系统中的应用

3.1.利用无线传感器网络进行环境监测的特点

将无线传感器网络应用至环境监测的过程中，又呈现出了以下几个特点：第一，利用该网络系统进行数据采集工作，较多用于恶劣环境、超远环境和无人环境。第二，所监测的范围较大，所以使用到的设备也较多，覆盖面广。第三，系统要支持临时性安装，便于随时对设备进行更新，对设备位置进行调整。

3.2.无线传感器网络在环境监测中的应用现状

3.2.1.大气环境监测

使用无线传感器网络对大气环境情况进行监测，主要需要两种设备的支持：硬件设备和相应的软件程序。硬件设备又包括三大块：传感器节点，该节点的主要作用是采集大气的技术参数；sink节点，该部分节点用于将所收集到的庞大数据进行汇总整理，最后传递至总站；两个服务器，一个服务器用于数据的处理，另一个服务器用于数据的传送和运输。所需要用到的软件主要包括：通信软件、数据的转换软件以及数据统计软件。这些软件通常不需要太多的投资成本，而且安装灵活，使用简便。

3.2.2.水环境监测

水环境监测系统有三个等级，第一级是数据采集网络系统，仍然是由各种数据采集节点和测量设备构成。第二级是zigbee/GPRS网关系统，它相当于“送信兵”，能够传达来自远程数据处理中心的各种指令。第三级是远程数据处理中心系统，该系统处于水环境监测系统的最高层级，是大本营和指挥部，负责处理各种信息数据，并就下一步工作发出明确指令。很明显，在对整个水环境进行监测的过程中，无线传感器网络负责的是最基础的数据探测与收集工作，所测得的大量水质数据主要以动态曲线的形式来呈现，这种呈现方式也非常适合云南省内不稳定的水文状况。

3.2.3地质监测

一般来说，在对某地进行基础设施建设之前，我们有必要对该地方的地质状况进行监测。有效的地质监测能够避免基础设施建设过程中很多意外情况的出现，云南省的地形地貌非常特殊，存在着极大的先天缺陷，平原地区面积狭小，在这样的情况下使用人力进行环境监测是非常不利的，那么我们就可以考虑使用无线传感器网络。

4.将无线传感器网络更好地应用于环境监测中

4.1.扩大无线传感器网络的环境监测领域

无线传感器网络的应用范围不应该被拘束，我们应该最大化的发挥无线传感器网络的妙用，比如我们可以将无线传感器网络应用至农业信息监测上，监测云南省内不同地区的土壤湿度、ph值和不同地区的光照条件，另外还可以应用到水产养殖情况、林地利用情况监测上。

4.2.坚持“尊重自然”的原则

在使用无线传感器网络的过程中，一定要尽可能降低人类活动对周围自然环境造成的不利影响，尤其是在生物多样性非常丰富的云南省，很多生物种群对于外来因素都非常敏感，对于外来因素的适应性也非常差，所以在使用无线传感器网络进行环境监测时，一定要注意保护自然环境的完整性。

4.3.注意信息安全

利用传感器监测到的各种数据信息是十分珍贵的，这些数据能够为制定更科学完善的环境管理方案提供智力支撑。然而实际上，无线传感器内的大量传感节点仍然具有较大的安全漏洞，不法分子可以利用这些漏洞对传感器网络中传输的信息进行监听。针对这个问题，我们首先要做的还是不断改进和更新技术，尤其是要设计出更为灵活、更为强健的密钥管理方案，密钥管理方案还要高度适应无线传感器传感节点资源有限的特点，并能够保证当部分节点遭到攻击时，只会对与之相邻的几个节点造成影响，不会对整体的网络安全造成威胁。

结束语

无线传感器网络技术不仅仅能够被应用到环境监测领域，还能够应用到智能家居、矿井安全、军事监测等领域。在未来，无线传感器设备的性价比也会不断提高，无线传感器设备的身影将在各行各业出现，给予人们的工作和生活无穷的便利。当然，为了实现这样一个美好的目标，还需要相关的技术研发者不断自勉，精益求精，勇于创新。国家方面也要不断对无线传感技术进行人力、物力和财力投入，为无线传感技术不断取得突破提供大力支持。

参考文献：

1. 耿长剑. 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现[D].

2. 郭文强, 张玉杰, 侯勇严, et al. 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, 2012, 030(004):81-84,89.

3. 赵丽芬. 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用[J]. 信息与电脑:理论版, 2016.

4. 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):23.