郭淑華

摘要： “五水共治”，吹響了浙江大規(guī)模治水行動的新號角。東陽市投入大量人力、物力、財力用于改善水質(zhì)，也取得一定階段性成果。但是對于水質(zhì)監(jiān)測方法主要采用人工分析，工序復(fù)雜、既費時又費力，又無法對水樣進行實時監(jiān)測，無法及時準確反映水質(zhì)的情況。同時對于大量生活污水、農(nóng)田排水或工業(yè)廢水的偷排、漏排的現(xiàn)象除了排查方式，平時更多的還是依賴群眾監(jiān)督和舉報的形式，監(jiān)督機制不夠完善和系統(tǒng)，嚴重影響“五水共治”的工作實施與進度，讓工作的進展顯得捉襟見肘。本課題構(gòu)想基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于水文信息監(jiān)測，提供嶄新途徑，對確保防洪安全、飲水安全、經(jīng)濟發(fā)展等，具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器；五水共治；水文監(jiān)測；傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0031-02

“五水共治”是浙江省委、省政府貫徹落實黨的十八大、十八屆三中全會精神，推進新一輪改革發(fā)展，再創(chuàng)浙江發(fā)展新優(yōu)勢而作出的重大戰(zhàn)略決策。全民治水攻堅戰(zhàn)已經(jīng)在浙江大地全面打響，東陽市2015年投入巨資用于“五水共治”，首批建設(shè)項目達108個，總投資約28.37億元，取得了良好的成效，但是，治水作為一項投入大、涉及面廣的系統(tǒng)工程，擺在我們面前的，還有大量工作要做。東陽市共有11座國家基本水文測站， 9個雨量站，2個水位站，對水質(zhì)監(jiān)測主要采用人工分析方法，工序復(fù)雜、既費時又費力，又無法對水樣進行實時監(jiān)測，無法及時準確反映水質(zhì)的情況。同時對于大量生活污水、農(nóng)田排水或工業(yè)廢水的偷排、漏排的現(xiàn)象除了排查方式，平時更多的還是依賴群眾監(jiān)督和舉報的形式，監(jiān)督機制不夠完善，不夠系統(tǒng)，嚴重影響“五水共治”的工作實施與進度，本課題將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于水文信息監(jiān)測，應(yīng)用于東陽市“五水共治”工作部署，解決傳統(tǒng)的觀測點少、數(shù)據(jù)采集慢、傳輸不可靠，反饋不及時等缺點的有效辦法，尤其針對此次治水范圍之廣，涉及縣市、偏遠山村或地區(qū)，成為一種最優(yōu)的選擇。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡稱WSN）部署設(shè)置簡單、成本便宜、電池長期使用，不需要頻繁更換、人力上無需派專員現(xiàn)場維護。本課題就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于東陽的“五水共治”工作價值進行分析，并嘗試構(gòu)想基ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外：

美國對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要成就有：2002年，Intel研究伯克利中心實驗室和大西洋學(xué)院聯(lián)合在大鴨島部署了43個節(jié)點，開展環(huán)境監(jiān)測，分別對光、溫度、濕度、氣壓力和紅外等要素信息無侵擾觀測，經(jīng)衛(wèi)星傳至服務(wù)器分析以研究海燕島上的筑巢行為。

2004 年，美國將WSN 節(jié)點用于了河流監(jiān)測，通過監(jiān)測河流周圍土壤中水分含量，依靠溫度、濕度傳感器，為河流生態(tài)圈提供研究數(shù)據(jù)。

2005年，美國哈佛大學(xué)Mate Wel研究小組，設(shè)置WSN監(jiān)測站，通過節(jié)點采集次聲波數(shù)據(jù)，為火山監(jiān)測降低試驗危險性同時，提高可靠性及可控性。

除美國以外，英國、日本等國家，也陸續(xù)展開了關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究工作。

國內(nèi)：

2002 年中國科學(xué)院率先開始了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，截至去年，國家自然科學(xué)基金重點立項3項、“863”支持30余項、“973”也設(shè)立2項目、“中國未來20年技術(shù)預(yù)見研究”針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)立項達7項之多。國內(nèi)清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校，也投入了相當力量，將大大推進WSN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。

2007年11月，中國科學(xué)院布設(shè)“智能塵?！本W(wǎng)絡(luò)，開展“基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)冰雪環(huán)境連續(xù)測量系統(tǒng)”研究項目，遙控監(jiān)測北京冰雪變化結(jié)合南極冰雪數(shù)據(jù)，對南極開展“天地一體化”監(jiān)測研究。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概念及其實際應(yīng)用

2.1無線傳感器技術(shù)概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是綜合微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)等涉及多學(xué)科，交叉集成前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境監(jiān)測對象信息，進行數(shù)據(jù)處理、分析，實現(xiàn)與物理世界、計算機世界的互通互聯(lián)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。任意分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點通過多跳中繼方式傳遞信息，以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，w信息首先傳送到匯聚節(jié)點，通過簡單位處理，再通過Internet網(wǎng)絡(luò)通訊方式最終傳送到管理節(jié)點，進行數(shù)據(jù)分析和處理。通常用戶發(fā)布命令是可以通過管理節(jié)點告知傳感器節(jié)點收集監(jiān)測信息。圖1給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖。

2.2 無線傳感器的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集合了信息采集、存儲、傳輸與處理功能，是一種綜合智能信息系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活方便、費用經(jīng)濟、體積小而，被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、城市交通、醫(yī)療救助等領(lǐng)域，具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢及重要應(yīng)用價值。

2.2.1 軍事應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)源于軍事領(lǐng)域，具備快速部署、隱蔽性強等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對軍事陣地等多場合下準確和全面地獲取監(jiān)測信息，對國防安全具有一定意義。

2.2.2 醫(yī)療應(yīng)用

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)所具備的自組織、對周圍的高感知能力，因而在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前量，人們可以享受更方便、更舒適醫(yī)療服務(wù)。美國Intel研制家庭護理項目，應(yīng)對老齡化社會技術(shù)重要內(nèi)容。在SSIM項目中，幫助盲人獲得一定程度的視覺，將100個微型傳感器植入病人眼中。

2.2.3 環(huán)境監(jiān)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中，發(fā)揮著重要作用。通過對土壤空氣、海洋成分、氣象地理研究監(jiān)測，及時掌控環(huán)境指數(shù)變更情況； 通過跟蹤珍稀鳥類、動物和昆蟲的遷移，進行瀕危種群的研究。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于一些其他領(lǐng)域，如用在工業(yè)自動化生產(chǎn)線，改善運作條件；用于危險工業(yè)環(huán)境，實施安全監(jiān)測；用在農(nóng)業(yè)灌溉、空間探密、智能家居等多方面。

3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在東陽市“五水共治”中應(yīng)用價值分析

3.1價值分析

東陽市水利系統(tǒng)將積極營造“人人都是治水員、處處都是主陣地、場場都是攻堅戰(zhàn)”的濃厚氛圍， “五水共治”任務(wù)艱巨，涉及面廣，投入巨大，長期持久。

分析水文信息采集具有監(jiān)測面積覆蓋廣、監(jiān)測點較多、環(huán)境或危險或惡劣等特點。如果采用傳統(tǒng)人工方式，既費時又費力，工作效率低；如采用有線傳輸方式，又存在布線困難、成本過高、維護不便等缺點；如采用移動通訊網(wǎng)、GPRS或藍牙技術(shù)的方式，又存在著功耗大，成本高等缺陷。因此，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)既經(jīng)濟又具實效，易操作。

從作用效果而言：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)應(yīng)用，無論在防洪、排澇還是在污水排放治理方面，提供了先進的技術(shù)，信息化的操作，起到一個積極的監(jiān)測及監(jiān)管作用，彌補人工方式的缺陷，確保全市的五水共治順利展開，是工作實施的有效手段。

從可操作性而言：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)實施，原理較簡單，成本低，不依賴固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持，易于實現(xiàn)，具有較強的可操作性。

3.2應(yīng)用實施

分析水文信息采集具有監(jiān)測面積覆蓋廣、監(jiān)測點較多、環(huán)境或危險或惡劣等特點。本課題從設(shè)備可靠性、可擴展性、搞干擾性、復(fù)雜程度、功耗以及成本等方面提出以下問題：

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面

基于河流的特性，采用ZigBee技術(shù)，構(gòu)建樹形拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，包括管理節(jié)點、匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點以自組織形式形成網(wǎng)絡(luò)，主要負責(zé)采集水位、雨量、溫度等水文信息，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式將數(shù)據(jù)信息傳遞到管理節(jié)點，以待處理與分析等系列操作。

3.2.2 能量控制方面

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的限制，在軟硬件的設(shè)計中，傳感器節(jié)點低功耗的設(shè)計應(yīng)是我們首要考慮的因素。太陽能源的有效利用將作為首先。

3.2.3 采集傳輸方面

在水文信息采集技術(shù)中可分為觸發(fā)式采集和定時采集。觸發(fā)式采集設(shè)置觸發(fā)條件，由管理節(jié)點發(fā)出控制指令，來控制傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)；定時采集是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)具體情況如汛期靈活配置設(shè)定周期來采集水文信息，以達到有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)功耗的作用。

3.2.4 可靠安全方面

系統(tǒng)性能主要包括電路工作、程序運行、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕约斑m應(yīng)野外晝夜差、抗雷擊、抗電磁干擾能力等多方面內(nèi)容。

3.3 應(yīng)用對策

針對“五水共治”中的“治污水”、“防洪水”、“排澇水”、“保供水”、“抓節(jié)水”，對象都是水，但所偏重的內(nèi)容不同，工作重心不同，監(jiān)測所關(guān)注的問題和指標不同，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺、軟件設(shè)計和協(xié)議棧的選擇就必然有很大的差別。

3.3.1 要有針對性

此次五水共治，涉及面廣，影響因素很多，執(zhí)行和執(zhí)法場所有所不同，可能是企業(yè)單位、村莊養(yǎng)殖場所，也可能是居民小區(qū)，因此，在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)考慮節(jié)點功能、成本及節(jié)點體積。針對各縣區(qū)的集中問題，可推出重點工程，如污水監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和防洪防汛無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.3.2 要考慮經(jīng)濟因素

而對于是污水還是洪水，面對的監(jiān)測對象，監(jiān)測指標不同，環(huán)境不同。具體核心芯片及元器件的型號應(yīng)選用市場較常見，在兼顧可靠性和經(jīng)濟性，結(jié)構(gòu)越簡單，價格也越便宜，對于后期維護理越經(jīng)濟實惠，易操作，具備較高性價比。

3.3.3 要政策扶持和技術(shù)支持

雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備成本低，組網(wǎng)簡單，但也需要相關(guān)的技術(shù)和人才支持，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程中，可能出現(xiàn)的問題，諸如數(shù)據(jù)傳輸問題、數(shù)據(jù)安全問題、動態(tài)組網(wǎng)的自適應(yīng)問題等，都需要專業(yè)人士的維護。因此需要相關(guān)政策扶持，進行人才引進和相關(guān)技術(shù)部門的組建。

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