吳守霞 高文琪

（1蘭州工業(yè)學(xué)院電信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2蘭州工業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

我國(guó)水資源的總量是非常豐富的，但是人均水資源與國(guó)際的平均水平相差很遠(yuǎn)，同時(shí)由于工業(yè)發(fā)展對(duì)于水資源的污染越發(fā)嚴(yán)重，使人們?cè)诎l(fā)展的同時(shí)也受到了大自然的懲罰，因此在2011年始，國(guó)家已將合理利用水資源制定成一項(xiàng)重要的國(guó)策。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，都應(yīng)用于水質(zhì)的檢測(cè)，特別是近年來無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在水質(zhì)檢測(cè)中組成一套完整的水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)的自動(dòng)檢測(cè)，雖然初具影響力但是還是要不斷的進(jìn)行完善研究。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱WSN，它是由空間里離散分布的多個(gè)傳感器相互協(xié)作而形成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這些分布在不同場(chǎng)所的大量傳感器的節(jié)點(diǎn)兩兩之間能夠進(jìn)行通信，如圖1所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖

嚴(yán)格來講WSN的聯(lián)網(wǎng)廣泛性要比Internet更好，因?yàn)楹笳邇H僅是改變了人與人之間的交流方式，而WSN能使人和自然進(jìn)行溝通和交流，將物理世界和信息世界進(jìn)行融合，因此所涉及的研究領(lǐng)域也更加廣泛，比如電子信息類、智能決策、知識(shí)工程等很多具有融合點(diǎn)的學(xué)科。

傳感器網(wǎng)絡(luò)開始要追溯到上個(gè)世紀(jì)的70年代，第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)是由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸技術(shù)將傳感器進(jìn)行連接；然而經(jīng)過20年的發(fā)展到了90年代，電子信息學(xué)科取了巨大的發(fā)展和長(zhǎng)足的進(jìn)步，傳感器的連接方式不僅僅是串聯(lián)還出現(xiàn)并聯(lián)的接口，這種連接方式能夠同時(shí)獲取多種信息，然后再進(jìn)行綜合處理，這便是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)；自90年代到進(jìn)入21世紀(jì)初，在現(xiàn)場(chǎng)總線的控制下，將傳感器構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，這便是第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)；而第四代傳感器目前已成為全世界的研究熱點(diǎn)，它的主要特點(diǎn)就是在各個(gè)傳感器之間利用無(wú)線控制技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)發(fā)展歷程表現(xiàn)出其循序漸進(jìn)的研究成果，隨著技術(shù)的更新，每一次改變均會(huì)讓無(wú)線傳感器的應(yīng)用范圍變的更加廣泛。圖2為傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程。

目前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域是進(jìn)行對(duì)水下的特定檢測(cè)任務(wù)，，其原理是將無(wú)線傳感器分布在水下，然后利用水聲的通信方式自行組建一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，然后各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行協(xié)同作用，最終完成檢測(cè)任務(wù)。主要應(yīng)用于水質(zhì)、水文檢測(cè)和水下預(yù)警等。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

1）WSN是大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目一般比較龐大，因此系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的魯棒性能，另外節(jié)點(diǎn)數(shù)目的緣故其檢測(cè)區(qū)域的覆蓋面積也會(huì)得到擴(kuò)展。2）WSN是多跳路由的動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。雖然節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較多，但是能量比較有限，因此通信發(fā)射功率會(huì)比較小，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)里節(jié)點(diǎn)的單挑通信距離很短，所以只能在臨近的節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)單跳，從而實(shí)現(xiàn)通信。傳感網(wǎng)絡(luò)中沒有特定的路由設(shè)備，而路由功能是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的互相協(xié)調(diào)來完成的，因此可以將每個(gè)節(jié)點(diǎn)視為路由設(shè)備又可以當(dāng)做端設(shè)備。3）WSN是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，如果該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)較少，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可能被分配一個(gè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)符號(hào)；如果節(jié)點(diǎn)比較多，那么將不會(huì)實(shí)現(xiàn)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均會(huì)擁有獨(dú)有的標(biāo)識(shí)符號(hào)，節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)需要通信協(xié)議的支持。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化直接影響全網(wǎng)發(fā)生動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)標(biāo)，節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和地理位置的關(guān)系不大，如果用戶想要了解信息時(shí)，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只是個(gè)別節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而非整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)，因此該網(wǎng)絡(luò)被稱以數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)。

3 基于WSN的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

3.1 物理光學(xué)分析法

物理光學(xué)分析法是根據(jù)光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行建立的，其原理是光電轉(zhuǎn)換，然后使用電子器件的相互作用，測(cè)定光學(xué)的輻射強(qiáng)度，來對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量和定性分析。其又可細(xì)分為光度法和原子吸收法、熒光分析法、發(fā)射光譜法等。其中使用最多的是光度法，即在紅外線和紫外線區(qū)便可稱之為紅外紫外光度法。物理光學(xué)分析的優(yōu)點(diǎn)是：分析的速度非常快、自動(dòng)化程度較高、檢測(cè)的精準(zhǔn)度很高；缺點(diǎn)是檢測(cè)儀器的價(jià)格較昂貴，因此一般只是作為實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)的輔助儀器。

3.2 電化學(xué)傳感器測(cè)量法

該種檢測(cè)方法主要是根據(jù)電化學(xué)性建立起來的，其理論基礎(chǔ)是試樣的電響應(yīng)或者物質(zhì)自身的化學(xué)體系。傳感器的感知模塊所獲得信號(hào)較弱為毫伏級(jí)，通過濾波放大之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，然后傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)進(jìn)行處理。這種傳感器的分類依據(jù)是輸出信號(hào)的不同，一般有電導(dǎo)型、電流型、電位型。其優(yōu)點(diǎn)就是經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低，所以很適合大規(guī)模的投入使用，缺點(diǎn)是由于技術(shù)的限制，因此檢測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度會(huì)大打折扣。

圖3 基于WSN的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)示意圖

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)很少有專門的工作人員進(jìn)行參與，在檢測(cè)過程中主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)展開工作。因此該系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸以及最后分?jǐn)?shù)據(jù)處理，三者的關(guān)系圖詳見圖4。

圖4 基于WSN的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用非常廣泛，水質(zhì)監(jiān)測(cè)只是眾多領(lǐng)域之一，本文通過對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的概述，詳細(xì)講解了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本概念，并將其幾大特點(diǎn)進(jìn)行展示，從實(shí)用的角度出發(fā)，介紹了一些無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)應(yīng)用。

[1]趙玉成,谷小青,頓文濤,蔡鑌,張風(fēng)仙,袁超.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在土壤肥力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].代農(nóng)業(yè)科技,2013(10).

[2]何永賢,胡月明,葉云,姜晟,張飛揚(yáng).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2013(26).