許龍飛　聶菊根　馬向進　呂海林　楊靜

摘要：水環(huán)境污染問題更是與人們的生活息息相關。水環(huán)境監(jiān)測作為水資源管理和水環(huán)境污染控制的主要手段之一，正在發(fā)揮不可替代的作用。本課題針對水環(huán)境監(jiān)測的應用環(huán)境及特點，利用無傳感器網(wǎng)絡技術，設計了一個監(jiān)測、管理與控制的實時交互監(jiān)測預警系統(tǒng)模型，提出了數(shù)據(jù)驅動的拓撲控制技術和基于動態(tài)拓撲的路由協(xié)議算法；建立了基于無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境、氣象環(huán)境、水污染情況等情況進行信息自動化收集。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；水環(huán)境監(jiān)測；拓撲控制

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0118-02

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，水環(huán)境污染和破壞日益嚴重，水環(huán)境污染問題更是與人們的生活息息相關[1]。水環(huán)境監(jiān)測作為水資源管理和水環(huán)境污染控制的主要手段之一，正在發(fā)揮不可替代的作用[2]。但是由于我國幅員遼闊，水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)點分散，僅依靠現(xiàn)有的監(jiān)測站和傳統(tǒng)監(jiān)測技術不能滿足連續(xù)、動態(tài)、宏觀、快速水環(huán)境的監(jiān)測要求，也滿足不了及時、準確地做出水環(huán)境質量預報的要求。因此，需要研究和開發(fā)實時、快速、宏觀、準確的水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測技術，更加全面準確地反映水環(huán)境的變化情況，減少水質污染[3]。

現(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測手段，沒有一種能夠同時對普通環(huán)境下或是地形環(huán)境復雜的水域，小面積或是者面積巨大的目標水域同時進行實時測量監(jiān)測，這就使得對需要探測復雜地形水域時候的困難大幅度提升，沒有辦法完成實時有效監(jiān)測，也無法對該地區(qū)水域做出針對性的管理。另外，在實際情況下，由于地形環(huán)境復雜多變，為節(jié)省人力物力，整個系統(tǒng)實際工作的續(xù)航能力也是一項極為重要的考察指標，有效改善整個監(jiān)測系統(tǒng)的能耗問題也是設計水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時需要達到的要求。所以，我們需要在現(xiàn)有方法的基礎上尋求一種更全面的技術，在更復雜的地形環(huán)境之下還能實現(xiàn)大范圍，高可靠性，低能耗的監(jiān)測要求。而無線傳感器網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和完善，為這一要求找到了解決之道，將無線傳感器網(wǎng)絡應用于水環(huán)境監(jiān)測，可以長期的、有效地、準確的保證系統(tǒng)的運行，從而在水資源管理和水環(huán)境污染控制方面有很積極的作用，進而減少不必要的人員和財產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)總體結構設計

基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點、監(jiān)控中心、通信網(wǎng)三部分，其中傳感器節(jié)點包括3類模塊：普通傳感器節(jié)點、信號匯聚節(jié)點和監(jiān)控中心節(jié)點。普通傳感節(jié)點以分簇的形式共同協(xié)同監(jiān)測橋梁局部狀態(tài)，其中簇內有一個節(jié)點除承擔數(shù)據(jù)采集功能之外，還需要承擔簇內節(jié)點的調度管理。信號匯聚節(jié)點負責把各簇的數(shù)據(jù)信息就近匯聚，然后通過無線或有線的方式，傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心可監(jiān)控中心可選擇該系統(tǒng)是否接入互聯(lián)網(wǎng)，把數(shù)據(jù)按權限供互聯(lián)網(wǎng)用戶查詢。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)測節(jié)點與匯聚節(jié)點的硬件結構設計

系統(tǒng)的最底層是智能傳感器節(jié)點，這些節(jié)點由電源供電，執(zhí)行組網(wǎng)、感知、采樣和初步的數(shù)據(jù)處理工作。傳感器節(jié)點設計如圖1。

2.2 匯聚節(jié)點設計

信號采集的匯聚節(jié)點是傳感器節(jié)點信息的匯集點，相當于一個基站。它是整個系統(tǒng)的一個重要組成部分，它可以和每一個簇首節(jié)點進行通信，完成信號的收集，并且可以對數(shù)據(jù)信號進行預處理，然后通過通信系統(tǒng)傳遞給監(jiān)控中心，從而保證了整個系統(tǒng)的正常運行，為橋梁健康監(jiān)測的信息分析及應對措施提供了數(shù)據(jù)信息。

3 傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡的關鍵技術

3.1 監(jiān)測網(wǎng)絡架構

在構建水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡時，其監(jiān)測網(wǎng)架構的設計，是實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域覆蓋與數(shù)據(jù)高效傳輸關鍵問題。

基于Internet 的實時監(jiān)控現(xiàn)已成為智能控制技術的發(fā)展趨勢。為實現(xiàn)對水環(huán)境的實時監(jiān)測，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡的特點，我們將構建一個監(jiān)測、管理與控制的實時交互監(jiān)測預警系統(tǒng)模型，整個監(jiān)測預警系統(tǒng)分成三個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制中心系統(tǒng)和應急響應系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是通過無線傳感器網(wǎng)絡獲取水環(huán)境現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并進行預處理后，與節(jié)點位置、時間等信息實時傳輸?shù)娇刂浦行姆掌?，幫助相關部門有效地確定水環(huán)境現(xiàn)狀，快速檢測到水環(huán)境的變化?？刂浦行姆掌餍枰幚韥碜詳?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的所有信息，確定傳感器節(jié)點的位置，對異常情況報警。其次，控制中心必須完成水環(huán)境變化行為分析，預測水環(huán)境變化趨勢。最后，控制中心還須實時顯示水環(huán)境監(jiān)測信息，并將所有信息置于web 服務器。應急響應系統(tǒng)使得遠程用戶包括管理部門能夠通過web 瀏覽器實時掌握控制中心的水環(huán)境監(jiān)測信息，并制定相應的響應措施。

3.2 網(wǎng)絡拓撲控制技術

在傳感器網(wǎng)絡中，各節(jié)點的能量供應有限，且由于環(huán)境變化及節(jié)點自身電源消耗等原因，網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化。

為了節(jié)省節(jié)點能耗及應對網(wǎng)絡拓撲變化，我們提出數(shù)據(jù)驅動的拓撲控制方法：正常情況下時，以節(jié)點剩余能量和節(jié)點最大通信距離為目標，選擇長鏈路的拓撲結構；當現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時（超預設的值），觸發(fā)短鏈路拓撲結構，以異常值的節(jié)點為起點，沿水流方向激活周圍節(jié)點，進行異常水環(huán)境數(shù)據(jù)精細監(jiān)測。

3.3 路由協(xié)議

傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡協(xié)議不同，需綜合考慮路由節(jié)點能耗及數(shù)據(jù)流向等問題。

針對水體流動單向性的特點，可采用基于節(jié)點位置關系的MAC層協(xié)議，以減少系統(tǒng)傳播延時；利用數(shù)據(jù)驅動的拓撲控制技術，實現(xiàn)基于動態(tài)拓撲的路由協(xié)議，以提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，增加網(wǎng)絡的吞吐量。

4 系統(tǒng)實驗驗證

本課題組根據(jù)課題需要，在景德鎮(zhèn)玉田湖建立了一個水環(huán)境監(jiān)測平臺，利該平臺，有效的驗證了基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測的水質信息的獲取、數(shù)據(jù)的有效傳輸、信息的可視化展示及水資源管理和水環(huán)境污染控制。圖2為監(jiān)測平臺節(jié)點布局圖，圖3為節(jié)點感知數(shù)據(jù)展示圖。

5 結語

針對中水環(huán)境監(jiān)測的應用環(huán)境及特點，本文利用無傳感器網(wǎng)絡技術，構建了一個監(jiān)測、管理與控制的實時交互監(jiān)測預警系統(tǒng)模型，完成了監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計和傳感器節(jié)點的硬件設計。針對傳感器網(wǎng)絡用于水環(huán)境監(jiān)測中存存在的幾個關鍵問題，提出了數(shù)據(jù)驅動的拓撲控制技術和基于動態(tài)拓撲的路由協(xié)議算法。利用景德鎮(zhèn)玉田湖水環(huán)境監(jiān)測平臺，驗證了基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測的水質信息的獲取、數(shù)據(jù)的有效傳輸、信息的可視化展示及水資源管理和水環(huán)境污染控制。

參考文獻

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