李 豐，伍彩虹

（1.廣東盈峰科技有限公司，廣東 佛山 528322；2.順德職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528300）

無線傳感器網(wǎng)絡技術在半導體技術以及傳感器技術不斷發(fā)展的推動下，其自身的感知、計算以及存儲通信能力都得到了全面的發(fā)展。無線傳感器技術是當前我國傳感器技術領域所研究的主要方向之一，諸多的科研機構以及高等院校都對其開展了不同程度的研究。其在當前的民用以及軍事領域中都有著相對較高的發(fā)展空間，已然得到了社會各界人士的廣泛關注，成為當前工業(yè)領域以及科研領域的研究熱點。

1 無線傳感器網(wǎng)絡架構分析

無線傳感器網(wǎng)絡的本質就是一種相對較為復雜的互聯(lián)系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡會與周圍物理環(huán)境互相交互，并對周圍的物理環(huán)境所產生的數(shù)據(jù)進行分析與處理，并通過其自身的存儲通信功能，將在周圍物理環(huán)境中所采集的數(shù)據(jù)信息進行傳輸，以此來有效地完成對當前物理環(huán)境的監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器并不是傳統(tǒng)的傳感器，而是將其數(shù)據(jù)處理分析模板、無線存儲通信模板以及傳感器模板進行整合，并將三者集成在一個物理單元上，以此來提升當前無線傳感器網(wǎng)絡的功能性。無線傳感器的自身結構相對多變，其在不同的物理環(huán)境中會使用不同的結構框架。總體而言，無線傳感器網(wǎng)絡可以分為軟件層以及硬件層，其中硬件層主要負責對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、轉換以及對無線電路的有效控制，而軟件層主要負責對路由進行選擇、實現(xiàn)通信協(xié)議以及系統(tǒng)能耗管理等［1］。

2 無線傳感器網(wǎng)絡特性分析

在對環(huán)境進行監(jiān)測的過程中，技術人員需要對環(huán)境中多種不同的信息進行分析與監(jiān)測。而由于無線傳感器網(wǎng)絡是多個不同的傳感器所組成的，因此在對周圍環(huán)境進行監(jiān)測的過程中會衍生出多元化的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息就會借助無線網(wǎng)絡來進行傳輸。但是在信息傳輸?shù)倪^程中，多種數(shù)據(jù)信息可能會在相同的數(shù)據(jù)節(jié)點進行傳輸，為了切實保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中不會受到其他數(shù)據(jù)的干擾，當前的無線傳感器網(wǎng)絡對一些基礎數(shù)據(jù)進行了篩選，并對一些數(shù)據(jù)進行融合，從而將已經(jīng)整合完成的數(shù)據(jù)進行節(jié)點傳輸，以此來提升無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)處理效率與質量。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點具有接收與發(fā)射功能，技術人員考量到無線傳感器網(wǎng)絡很有可能會在一些環(huán)境相對較為惡劣的區(qū)域進行布置，為了防止其不受外部惡劣環(huán)境的影響，所以在當前的無線傳感器網(wǎng)絡中增添了多數(shù)據(jù)發(fā)送模式［2］。

3 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

3.1 設計方案分析

在對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行設計與應用的過程中，技術人員需要運用嵌入式技術、遠程基站通信技術以及無線傳感器網(wǎng)絡技術，以此構建完備的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般可以運用在對森林、農場以及湖泊等地的環(huán)境監(jiān)測中，根據(jù)其監(jiān)測系統(tǒng)的內部結構，可以將其分為三個層次。

前端的數(shù)據(jù)信息采集。技術人員借助ZigBee技術以及TinyOS2軟件平臺，來實現(xiàn)對射頻數(shù)據(jù)包的接收，其終端節(jié)點會借助無線傳感器對周圍的環(huán)境系數(shù)進行采集。

網(wǎng)關數(shù)據(jù)信息的整合及遠程發(fā)送。該部分需要借助環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關來完成。網(wǎng)關也就是一個協(xié)議的轉換器，主要是對環(huán)境中所采集的射頻數(shù)據(jù)包進行分析，根據(jù)TCP協(xié)議對其進行重組，并借助遠程數(shù)據(jù)傳輸技術將其上傳至數(shù)據(jù)中心。

后臺數(shù)據(jù)信息處理。環(huán)境監(jiān)測中心在接收TCP數(shù)據(jù)包后，會根據(jù)指定的順序對數(shù)據(jù)包進行分析，并將已經(jīng)解析的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫之中。

3.2 環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的設計分析

無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點是其網(wǎng)絡的基本單元，其自身運行的穩(wěn)定性將直接影響整體無線傳感器網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性。圖1為環(huán)境監(jiān)測節(jié)點結構圖。

圖1 環(huán)境監(jiān)測節(jié)點結構圖

無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點可以對所采集到的數(shù)據(jù)信息進行壓縮并存儲，同時對其他傳感器節(jié)點所傳遞過來的數(shù)據(jù)信息進行中轉。在實際的環(huán)境監(jiān)測中，技術人員根據(jù)監(jiān)測的基本需求對其內部模塊進行適當?shù)恼{整。

3.3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺分析

在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，sink節(jié)點對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息、協(xié)議轉換等監(jiān)測參數(shù)有著極為重要的作用，同時亦可成為獨立的設備對野外環(huán)境進行數(shù)據(jù)信息的采集，其基本機構如圖2所示。

圖2 Sink節(jié)點的結構圖

技術人員在對其進行應用時，會涉及兩種協(xié)議的轉換，并根據(jù)兩種協(xié)議來對與之相匹配的模板進行甄選，其相對較為完備的硬件平臺參考示意圖圖3所示［3］。

圖3 sink節(jié)點硬件平臺結構示意圖

根據(jù)上文所述，技術人員可以甄選嵌入式節(jié)點芯片，其不僅具有可視化的圖形界面，而且其接口資源較為豐富。下表為Sink節(jié)點硬件參數(shù)表，以供參考（表1）。

表1 硬件參數(shù)參考表

4 無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的實際應用分析

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡在地質環(huán)境監(jiān)測中的應用

在對當前的地質環(huán)境進行監(jiān)測的過程中，無線傳感器網(wǎng)絡一般會被布置在一些相對較為特殊的地理位置，例如鐵路運輸線附近，其中最為經(jīng)典的就是在青藏鐵路運輸線上的應用。由于青藏鐵路運輸線的特殊地理位置，其沿線一般多為凍土層，且位于無人區(qū)，倘若對此環(huán)境進行監(jiān)測，將會消耗大量的人力物力以及財力，甚至會對地質環(huán)境監(jiān)測人員的人身安全造成嚴重的威脅。因此，技術人員可以充分借助無線傳感器網(wǎng)絡來對其地質環(huán)境進行實時監(jiān)測，利用無線傳感器網(wǎng)絡多跳的模式將監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息從其節(jié)點傳輸至基站，再由基站的匯合節(jié)點借助GPRS技術將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并由監(jiān)控中心的技術人員對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行詳實的分析。同時，技術人員還在無線傳感器網(wǎng)絡中增加了地質災害監(jiān)測模板，可以對當?shù)氐刭|環(huán)境中的災害進行有效的監(jiān)測，在此過程中，無線傳感器網(wǎng)絡會通過GSM網(wǎng)絡信息短信將地質災害的數(shù)據(jù)信息進行實時發(fā)送，例如對滑坡災害信息的傳遞。

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應用

技術人員可以借助無線傳感器網(wǎng)絡來對大氣環(huán)境中的氣體成分進行監(jiān)測分析，并切實測定出大氣中各類氣體的實際含量。若是在對其監(jiān)測的過程中監(jiān)測出大氣污染物質超標，其可以自動進行預警，向有關污染防治部門進行警報傳輸，提醒其對大氣污染物質進行處理。同時無線傳感器網(wǎng)絡在大氣環(huán)境監(jiān)測中，還可以對生活氣體的成分進行監(jiān)測，以此來協(xié)助生活環(huán)保部門編制出合理的環(huán)保預案。通常情況下，無線傳感器網(wǎng)絡可以不間斷地運行21天至35天左右，其大氣測定數(shù)據(jù)的傳輸速度約為150 kb/s，大氣環(huán)境監(jiān)測中的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點之間相距約300 m。與以往的有線傳感器網(wǎng)絡相比較，無線傳感器網(wǎng)絡在無線傳輸技術的加持下，最大限度地減少了有線傳感器的布置數(shù)量，并對大氣環(huán)境進行全面的監(jiān)測，切實提升大氣環(huán)境監(jiān)測的質量。

例如，美國加州大學的計算機系實驗室曾與大西洋學院對大鴨島的海鳥棲息地的大氣環(huán)境進行監(jiān)測，在對大氣環(huán)境監(jiān)測時所運用的技術就是無線傳感器網(wǎng)絡技術，其中涵蓋了無線網(wǎng)絡鏈接、分層系統(tǒng)架構以及相對隱蔽的設備。借助遠端Mote網(wǎng)絡對海島上的動物棲息地進行監(jiān)測，其能夠借助環(huán)境光線等變化的傳感器節(jié)點來構建無線傳感器網(wǎng)絡，以此來對海島上的環(huán)境進行監(jiān)測。對其進行布置的過程中，技術人員一共放置了32個傳感器節(jié)點，技術人員借助Micamotes傳感器來對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集。其所設定的數(shù)據(jù)傳輸策略為在指定的時間內利用傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關。MAC協(xié)議及路由表的設計規(guī)劃如下。第一，路由為單跳路由；第二，其需要周期性地向基站報告電壓。

4.3 無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測中的應用

由于無線傳感器網(wǎng)絡自身的實際適用性，使得其亦可以在相對較為復雜且危險的工業(yè)環(huán)境中執(zhí)行監(jiān)測任務，例如礦井環(huán)境、石油開采環(huán)境以及核電站環(huán)境等。以礦井環(huán)境監(jiān)測為例。隨著人們物質生活水平的不斷提升，其對于煤炭資源的需求量也在不斷變大，使得我國煤礦開采工作得到了全面的發(fā)展。但是在煤礦開采過程中，經(jīng)常發(fā)生一些生產安全事故，對我國當前煤炭行業(yè)的發(fā)展造成了極為嚴重的影響。當前我國煤炭礦井環(huán)境相對較為復雜，對礦井環(huán)境進行實時監(jiān)測的難度也相對較大，與以往有線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測相比，無線傳感器網(wǎng)絡更加容易在復雜的礦井環(huán)境中進行部署，由于其自身的能耗相對較小，使得其在礦井環(huán)境中的部署成本會相對較低，且數(shù)據(jù)傳輸速度也要相對較快［4］。

4.4 無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測定位與數(shù)據(jù)采集中的應用分析

數(shù)據(jù)信息采集以及環(huán)境監(jiān)測定位是當前環(huán)境監(jiān)測工作最為基礎的工作內容。無線傳感器網(wǎng)絡可以根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集程度，將數(shù)據(jù)采集頻次以及指令信息進行控制，并將其內部數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測指揮中心。當無線傳感器網(wǎng)絡管理人員對其下達休眠指令時，環(huán)境監(jiān)測設備會對其自身的運行狀態(tài)進行調整，并降低自身的能耗［5］。但是無線傳感器網(wǎng)絡需要對數(shù)據(jù)的傳輸提供通道，使得其能耗會相對較大。因此，技術人員可以在一定程度上對各節(jié)點的傳感器進行壓縮，并將其已經(jīng)處理好的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)交尽?/p>

5 結論

綜上所述，隨著經(jīng)濟的發(fā)展與科技的進步，無線傳感器網(wǎng)絡得到了全面的發(fā)展，在當前的環(huán)境監(jiān)測工作中得到了充分的應用。無線傳感器網(wǎng)絡是21世紀重要的技術之一，是可以對人類未來生活產生深遠影響的新興技術。在不遠的未來，無線傳感器網(wǎng)絡勢必會引發(fā)一場全新的技術革命。因此，技術人員需要對其進行詳實的研究與分析，并將其運用到不同類型的環(huán)境監(jiān)測工作之中，充分發(fā)揮其自身最大的實際應用價值。