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        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

        2021-12-23 20:58:08
        綠色環(huán)保建材 2021年2期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境監(jiān)測無線傳感器

        陳 濤

        棗莊市臺兒莊區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站

        1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本定義

        無線傳感其網(wǎng)絡(luò)是在移動、靜止扭矩傳感器在多跳方式作用下所形成的無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的通信渠道為無線網(wǎng)絡(luò),且傳感器運中可自行采集目標(biāo)信息,并借助無線網(wǎng)絡(luò)通道將所采集的數(shù)據(jù)傳輸給對應(yīng)的管理設(shè)備。設(shè)備在高效率的分析、處理傳感器所采集的數(shù)據(jù)后,可將其應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)分析等工作中。相對于傳統(tǒng)的有線傳感器,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸方法數(shù)據(jù)傳輸更為便捷、網(wǎng)絡(luò)線路與設(shè)備布設(shè)簡單方便,甚至能夠隨意更改數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的分布范圍。因此,通常情況下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可利用自身所攜帶的傳感器設(shè)備,獲取目標(biāo)信息,同時在終端設(shè)備輔助下分析該信息,將其整理為可利用的有效信息。

        2 環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢

        環(huán)境檢查是維護生態(tài)系統(tǒng)平衡,改善生態(tài)環(huán)境的重要工作,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測工作中的滲透,是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪裕嵘h(huán)境監(jiān)測中信息利用率,確保環(huán)境監(jiān)測結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。具體來說,環(huán)境監(jiān)測中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下內(nèi)容中。

        其一,其網(wǎng)絡(luò)自身的組織性可確保網(wǎng)絡(luò)活動運行的快速性、優(yōu)質(zhì)性,使其能夠快速獲取環(huán)境監(jiān)測信息,優(yōu)化環(huán)境監(jiān)測中的數(shù)據(jù)資源配置。其二,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗干擾性、抗摧毀性較強,在互聯(lián)網(wǎng)時代中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用,可進一步確保監(jiān)測信息采集完整性、精確性,滿足環(huán)境監(jiān)測工作對信息采集的質(zhì)量要求。其三,信息采集、傳輸過程中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在設(shè)備零損耗的基礎(chǔ)上,優(yōu)化環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的整體結(jié)構(gòu),提升環(huán)境監(jiān)測信息化水平,同時能夠減少環(huán)境監(jiān)測中的設(shè)備損耗,為該項共享供應(yīng)更多可利用的信息。

        3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的環(huán)境監(jiān)測特點

        3.1 多數(shù)據(jù)輸送

        在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo),是為實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)輸送的高效性,而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感器分布節(jié)點均具有數(shù)據(jù)采集、發(fā)射功能,所以在不同環(huán)境條件下,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)射模式為多數(shù)據(jù)輸送,且外界環(huán)境對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的影響較小。環(huán)境監(jiān)測人員可根據(jù)環(huán)境信息處理要求,及時跟蹤、回收網(wǎng)絡(luò)傳感器中的監(jiān)測數(shù)據(jù),將其匯總到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。

        3.2 設(shè)備功耗低

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在信息采集中,傳感器能量供應(yīng)為微型電池,該電池在設(shè)計期間,通常會提前評估傳感器適用年限,從而有效控制傳感器功耗,延長環(huán)境監(jiān)測中傳感器的使用年限。比如設(shè)計者在開發(fā)無線傳感器設(shè)備時,可通過選擇低能耗元件、自動調(diào)整休眠等方式,減少運行能耗,并根據(jù)環(huán)境監(jiān)測人員基本要求,控制設(shè)備的運行狀態(tài)。

        3.3 數(shù)據(jù)融合性強

        環(huán)境監(jiān)測中所包含的信息數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)類型較多,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在獲取、采集信息時,因傳感器功能的差異性,該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部存儲中會存在海量數(shù)據(jù)資源。為避免數(shù)據(jù)通信中各類數(shù)據(jù)出現(xiàn)相互干擾問題,無線傳感器數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要利用數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點的分布,增強傳感器對數(shù)據(jù)的融合性,靈活篩選基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù),將有價值的監(jiān)測信息傳輸給終端設(shè)備。

        4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用

        4.1 大氣環(huán)境監(jiān)測

        在監(jiān)測大氣環(huán)境時,相關(guān)人員可通過多功能的無線傳感器檢測大氣中的氣體成分,并在獲取到檢測信息后自動分類氣體信息,測定各氣體成分的實際含量。在此期間,若發(fā)現(xiàn)大氣中污染物質(zhì)成分超出標(biāo)準(zhǔn)后,環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可自動生成報警信息,提示相關(guān)部門及時處理污染物質(zhì)超標(biāo)問題。除此之外,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)額環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),同樣可用于生活氣體成分測定,便于環(huán)保單位及時制定環(huán)保方案。除此之外,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)運行3~5 周,氣體測定數(shù)據(jù)傳輸速度快,約為150kb/s,各節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)傳送距離為300m。相較于傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò),基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),能夠在無線通信技術(shù)的作用下,控制有線設(shè)備數(shù)量,在特定范圍內(nèi),不知道大量無線傳感器設(shè)備,完整的采集各區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)境信息,提升大氣環(huán)境監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

        4.2 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測

        地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被應(yīng)用在無人區(qū)、礦區(qū)、特殊地理位置中,比如在我國某鐵路周邊的無人區(qū)監(jiān)測中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可避免在大范圍的監(jiān)測區(qū)域浪費人力資源,減少無人區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測對人員帶來的安全隱患,準(zhǔn)確分析土層結(jié)構(gòu)、土壤類型。在獲取當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)信息后,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可通過多跳方式,從不同傳感器分布節(jié)點發(fā)送地質(zhì)信息數(shù)據(jù),而地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測人員可聯(lián)合應(yīng)用GPS 技術(shù),遠程監(jiān)測該區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境。

        比如相關(guān)人員在應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時,以ZigBee 技術(shù)為核心,建立地質(zhì)信息采集、環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括上位機監(jiān)控中心、傳感器無線服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、地質(zhì)信息監(jiān)控顯示系統(tǒng)、監(jiān)測點控制系統(tǒng)等,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)助下,系統(tǒng)終端設(shè)備、上位機設(shè)備均為無線設(shè)備。當(dāng)終端設(shè)備獲取到地質(zhì)信息后,繼電器可自動驅(qū)動,并在傳感器運行中,由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)輸送、發(fā)送地質(zhì)環(huán)境檢測數(shù)據(jù),接收地質(zhì)監(jiān)測中的指令。在該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,上位機的主要功能在于實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信,同時能夠在線、實時顯示地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù),若地質(zhì)環(huán)境中土壤、土層分布信息超出預(yù)計范圍,系統(tǒng)可自動發(fā)布警報信息,為地質(zhì)環(huán)境治理方案的制定提供數(shù)據(jù)參考。

        4.3 工業(yè)環(huán)境監(jiān)測

        在我國環(huán)境監(jiān)測工作中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣可應(yīng)用在較為危險、復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中,例如礦區(qū)、核電廠、石油鉆井等區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用,可實時監(jiān)測各區(qū)域工作環(huán)境,加強環(huán)境安全,維護工作人員財產(chǎn)、生命安全。除此之外,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,各監(jiān)測點的靈活布局,可代替人工作業(yè),減少人工環(huán)境監(jiān)測中的安全風(fēng)險,確保工業(yè)環(huán)境中安全風(fēng)險預(yù)估的準(zhǔn)確性,以及相關(guān)單位對險情的反應(yīng)速度。在此期間,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可憑借自身組網(wǎng)靈活、監(jiān)測設(shè)備部署便捷等特點,應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境監(jiān)測,利用傳感器構(gòu)建倉儲管理的物聯(lián)網(wǎng),實時交換工業(yè)環(huán)境中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

        4.4 自然環(huán)境監(jiān)測

        無線傳感器在環(huán)境監(jiān)測中有著非常廣泛的應(yīng)用范圍,其在自然環(huán)境監(jiān)測中,可在大氣監(jiān)測的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)監(jiān)控洪水、氣象、火災(zāi)等生態(tài)環(huán)境信息。在自然環(huán)境監(jiān)測過程中,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本低、功能類型多、可有效解決操作復(fù)雜的監(jiān)測工作,全面監(jiān)控我國自然環(huán)境。例如在野外區(qū)域布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時,傳感器可在環(huán)境監(jiān)測人員的驅(qū)動下,自動感應(yīng)周邊環(huán)境變化,保護自然環(huán)境,及時發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境中水污染、大氣污染問題,并為自然環(huán)境治理工作提供數(shù)據(jù)參考。

        再者,河流周邊的無線傳感器,同樣可用于監(jiān)測水位變化,及時預(yù)警洪水、滑坡等自然災(zāi)害,并在出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后,及時將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)阶匀画h(huán)境遠程監(jiān)測中心中,提示周邊居民及時做好防護工作,以此減少洪水與滑坡造成的經(jīng)濟、人員損失。除此之外,近年來的森林火災(zāi)事故較多,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用時,可將傳感器設(shè)置在森林保護區(qū)域,協(xié)助相關(guān)部門預(yù)防火災(zāi)風(fēng)險,及時上傳火災(zāi)地點、分享火勢信息,有效控制火災(zāi)對環(huán)境造成的損害。

        4.5 環(huán)境監(jiān)測定位與信息采集

        環(huán)境監(jiān)測中,數(shù)據(jù)源定位、信息采集屬于基礎(chǔ)性的工作。一方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在環(huán)境數(shù)據(jù)采集與分析中,根據(jù)傳感器的內(nèi)部給出的指令信息,控制數(shù)據(jù)采集頻次。隨后及時將內(nèi)部數(shù)據(jù)輸送到環(huán)境監(jiān)測中心,并且在管理人員給出休眠指令后,立即調(diào)整運行狀態(tài),節(jié)約設(shè)備整體能耗。但是對于環(huán)境監(jiān)測中心周邊的傳感器,其需要同時承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸、構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道的責(zé)任,所以設(shè)備能量消耗較大。為此,相關(guān)人員應(yīng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)中,提前使各節(jié)點傳感器壓縮、融合環(huán)境信息,之后再將處理后的數(shù)據(jù)匯總到靠近監(jiān)測中心的傳感器基站內(nèi)。在此期間,Lempel-Ziv在傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)壓縮中,可高效的控制數(shù)據(jù)量,為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運行打好基礎(chǔ)。

        另一方面,傳感器網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)源定位是指傳感器在數(shù)據(jù)傳輸中,按照環(huán)境監(jiān)測要求,將特定位置所采集的信息輸送到傳感器控制終端。同時在獲取到異常監(jiān)測信息后,將異常數(shù)據(jù)員采集位置傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測中心,使其在異常事件分析時,及時掌握環(huán)境異常位置,從而到指定位置中,處理環(huán)境污染、水體污染等問題。除此之外,定位異常數(shù)據(jù)位置時,相關(guān)人員需要有效策略各傳感器分布節(jié)點的間距,并根據(jù)環(huán)境監(jiān)測區(qū)域,對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進行定位。在定位傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的APIT、TOA、AOA、質(zhì)心算法中,TOA、AOA為與距離測量有關(guān)的算法類型,所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在不更新網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的前提下,自動運行定位機制,給出詳細的位置信息,提高環(huán)境監(jiān)測人員的工作效率。

        5 結(jié)束語

        綜上所述,環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時,需要根據(jù)實際環(huán)境監(jiān)測要求,集成應(yīng)用定位、能量管理、數(shù)據(jù)融合等技術(shù),高效率采集環(huán)境信息,分析環(huán)境中的各項指標(biāo),從而結(jié)合實際監(jiān)測結(jié)果,制定對應(yīng)的環(huán)境保護、污染處理、地質(zhì)改善措施,維護生態(tài)系統(tǒng)、社會發(fā)展的平衡。除此之外,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的不斷應(yīng)用,其應(yīng)用技術(shù)將逐步成熟、監(jiān)測范圍呈現(xiàn)出擴大化趨勢,相關(guān)部門應(yīng)積極挖掘無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用潛能,為我國經(jīng)濟增長提供助力。

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