无线传感器网络在环境监测系统中的主要应用

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无线传感器网络在环境监测系统中的主要应
用
作者：迟迪 李奉先
来源：《中国科技博览》2016年第09期

[摘 要]近来环境监测开始得到社会的重视。环境监测发展的主要方向是远程监测系统，其
中极为重要的是环境温度监测。无线网络化、智能化、微型化、集成化是环境监测系统的发展
趋势，于是随着半导体、无线通信技术、微电子机械系统等学科的飞速发展而产生的无线传感
器网络就成为环境监测领域研究的热点。文章就无线传感器网络在环境监测系统当中的应用进
行而来探讨。

[关键词]无线传感器网络；环境监测；应用分析
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0383-01
一、无线传感器网络的涵义
无线传感器网络综合运用了多项技术，它是多种技术的集合体，主要包括无线通信技术、
嵌入式计算机技术、传感器技术以及分布式信息处理技术。它可以对监控对象进行实时监测，
采集监控区域内的相关数据，并加以处理后得到准确详实信息，最终将这些信息发给有需要的
人。无线传感器网络由大量静止或移动的节点以自组织和多跳的方式构成，集传感与驱动控
制、计算、通信能力于一身，协作地实时监测、感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知
对象的监测信息并报告给用户。由于它成本低，采用无线通信，不需要固定网络协助，所以其
研究成果应用十分广泛。

二、无线传感器网络体系结构
无线传感器网络是由非常多的微型传感器节点组成，它们的功能并不完全相同，但是构造
大体相同，大都是由数据收集、处理、发送和电源四部分构成，网络中节点的作用是收集数
据，数据中转，或者是类头节点。收据收集，即收集监测到的数据（如湿度、温度等），并将
其传送至远方基站或者是汇节点；数据周转，即将其他节点发送过来的数据信息，在不经过任
何处理的情况直接传送出去；类头节点，收集属于同一类型节点的数据信息，汇总后传送给上
一层级。

系统基本由下面几部分构成：
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（1）传感器节点。对所监控区域的环境指标进行测量，比如温度、湿度等，将所监测到
的数据传递给监控中心。

（2）网关。连接无线传感器网络与外网，实现传感器网络与外网通信协议的转换，将传
感器网络收集到的数据发送至外网，并给下级节点布置监测任务。

（3）远程客户端和PDA用户。通过外网查询监控中心的数据。
（4）监控中心。布置任务，下达监测命令，以及管理监测数据，主要是汇总分析，统计
数据。

三、无线传感器网络在环境监测中的应用优势与现状
用无线传感网络进行环境监测，具有三个比较明显的优势。
（1）成本低廉，网络安装速度快；
（2）在不增加其他设备的情况下就可以完成数据的传输工作，这使得系统性能提高了一
个数量级；

（3）网络坚实，不易被毁坏，能够满足某些特殊需求。
关于将无线传感网络应用于环境监测中，国内的学者已经做得很多研究，并获得了一些研
究成果。在美国是研究人员将其用于监测岛屿的生态状况；在我国，杭州将其用于监测杭州西
溪湿地水环境，国防科技大学将其用于环境监测并得到了重要的研究成果。

在我国，无线传感器网络还未得到广泛的应用，主要原因是，第一大部分人对其还不熟
悉，不知道任何使用，它的优势在哪里；第二无线传感器网络在使用中还存在一些重要问题没
有得到彻底解决，国内关于它的研究还比较浅，加之其应用不同地方会出现不同的问题，对网
络结构和传感器节点等也有不同的要求。

四、无线传感器网络在环境监测中的应用
（一）矿井环境监测
对于煤矿企业而言，安全探测是十分重要的，特别是在需求量持续增长的前提下，在长期
的开发与使用中，煤矿探测的安全问题愈发的引起了人们的重视。在无线传感器网络的支持
下，可以很好的实现低成本的探测需求，并且可以在一定程度上提高矿井作业的安全属性。特
别是Zig Bee技术的应用与推广，可以满足人们对于井下监控、数据分析、安全分析等综合需
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求。在近年来，技术人员将Zig Bee技术进行了细化和拓展，可以帮助人们直观的了解到井下
的作业情况，这对于安全、高效作业目标的实现提供了较大的支持。

（二）军事环境监测
无线传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和容错性高的特点，因此非常适合
在军事领域应用，也是军事指挥、控制、通信、计算、情报、监视、侦察与目标捕获系统的重
要组成部分。利用无线传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场实时监视，目标定
位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能，目前国际许多机构的课题都是以
战场需求为背景展开的。信息技术必然是未来战争取胜的关键，目前已然有许多国家将该技术
与军事研究相结合，帮助己方及时的获取对方的各项信息，从而及时的进行战略的调整。

（三）自然环境监测
1、大气环境监测
将无线传感网络用于监测大气环境，主要需要两部分的支持，分别是设备和相应的程序支
持。设备包括一是传感器节点，主要是用于大气技术参数的监测和收集，还有相配套的放大电
路；二是Sink节点，用来汇总数据及向基站传输数据；三是服务器，这其中需要两个服务，
一个进行数据处理，一个用于数据传输。相应程序也就软件主要是由用于数据收集、处理和传
输的相关模块组成，通常有串口通信、数据转换、数据统计等功能模块。它的优点是安装简单
方便、布局灵活、维护容易、成本低。

2、水环境监测
无线传感器网络的水环境监测系统的结构从功能上可以将水环境监测系统分成三级。第一
级是以无线传感器网络为核心构造的数据采集网络系统，主要由数据采集节点和协调器节点以
及测试仪构成；第二级是Zig Bee/GPRS网关系统，主要负责数据采集网络中的数据并远程发
送，远程数据处理中心对数据采集网络控制命令的发送；第三级是远程数据处理中心系统，主
要负责数据的处理分析和控制命令决策。在整个水环境监测系统中，无线传感器网络专注于探
测和收集水环境的信息；而复杂的数据处理和存储等则交给远程数据处理中心来完成。主要包
括以动态曲线的方式实现传感器信息的在线监测和大量水质数据的存储。

3、地质监测
无线传感器网络在地质监测方面也有很广泛的应用。对于部分地质较为特殊的区域而言，
有效的地质检测可以很好的促进该区域基础设施建设，如冻土环境下的交通设施建设，在人力
无法实现的前提下，无线传感器网络则可以很好的实现。尤著宏等基于无线传感器网络的青藏
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铁路温度监测系统，采用多跳的方式将数据从传感节点传输至转发基站上的汇聚节点，再由汇
聚节点利用 GPRS 网络发送至监控中心。

4、其他应用
无线传感器网络在其他领域也同样具有重要的应用价值，例如在农业信息监测方面，崔光
照等针对当前农业环境监测面临的监测点分散、布线困难和实时性差等问题，提出了利用具有
自组织特性的无线传感器网络，对温度、土地湿度和土壤pH值等环境变量进行在线监测的方
法。该方法采用了对等式网络体系结构，低功耗微小网络节点以及基于拓扑树的网络初始化配
置算法。实验测试表明，节点能够有效地采集和处理数据，并可以在节点间成功地进行通信。
另外，无线传感器网络系统在水产养殖、森林监测、家庭环境监测以及管道输送监测等方面都
得到了广泛应用。

综上所述，无线传感器网络在众多领域都有着应用，并发挥着极为重要的作用。因此，为
使无线传感器网络拥有更为广泛的应用领域，还需要更进一步的深入研究，为社会发展营造更
良好的环境。

参考文献
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