基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用

王松涛

（雅安市环境监测中心站四川雅安625000）

基于无线传感器网络的环境监测系统设计与应用

王松涛

（雅安市环境监测中心站四川雅安625000）

随着信息化进程的不断推进，信息技术的应用范围越来越广，在农业生产过程中也越来越重视信息技术的应用，无线传感网络为农业发展提供了重要支撑，它通过综合运用传感器技术、网络技术、无线通信技术和嵌入式计算技术等，实现了对农业生产各环节的监测，它监测范围广、监测数据准确，为农作物生长环境的改善作出了重要贡献。本文主要分析了基于无线传感器网络的优势特点，设计了一种适用于农业环境监测的信息采集系统，为农业科学发展奠定了基础。

无线传感器网络；环境监测；传感器节点

信息化的高速发展，让我国经济社会等各领域进入了新的发展阶段，而无线传感网络的发明，被应用到军事、医疗、环境、建筑等多个领域，它改变了传统的发展模式，这种新技术的应用为我国经济发展和社会进步创造了巨大财富。深度掌握无线传感网络的技术结构，更好的灵活掌握，设计出适用于农业发展中环境监测的信息采集系统，促进农业的健康可持续发展。

1 无线传感网络的应用领域

1.1 军事领域

无线传感网络最早应用于美国军事作战中，美国军方设计的NSOF系统，实现了在复杂的环境中，能够迅速收集侦查区域的情报信息，然后通过无线传感网络传送到总战术指挥网络区。与传统的独立卫星及地面雷达系统不同，它的优势更突出：（1）大大提高了信噪比，主要是该系统的分布节点多角度采集信息，是其特有的；（2）传感系统与需要探测目标的距离近，可以避免远距离传输环境噪声对系统的干扰。

1.2 环境监测

当代社会，人们生活质量逐步提高，对于环境的关注日益增多，环境监测越来越科学化。起初，在自然环境中，原始数据的采集十分困难，而无线传感网络为环境工作者的野外考察提供了方便，环境监测的传感器网络具有轻便性、广分布性等优势，只要在既定范围内安装了节点，就可以观察到环境因素的变化情况，如果在火山、冰川、森林等自然区域安装环境监测节点，将会为避免自然灾害等情况的发生发挥巨大的作用。

1.3 医疗健康

随着医疗服务水平的逐步提高，互联网也越来越多的应用到医疗领域中，为人们的健康监测提供了方便。远程健康监测就是无线传感网络的功能，医生通过发放一些具有监测血压脉搏、体温等功能的微型无线传感器给患者，变通过设计好的网络系统，便能实时监测患者的健康状况，对于患有冠心病、脑溢血等高危病人非常实用。

1.4 建筑及城市管理

1.4.1 在建筑领域的应用

由于现代建筑的特点，通过无线传感网络的布置，监测点能够随时掌握建筑物内的温度、压力、声音、安全等各种指标和环境状况，当异常出现时，能够迅速采取应急措施，有效避免了对于人们财产生命安全的事故的发生。而智能家居的发明，便是通过无线传感器的应用，随时可以监测到室内的温度、湿度等指标，而且对空调、家电、门窗可以进行自动控制，为人们创造了智能、舒适、方便的居住环境。

1.4.2 在城市管理中的应用

随着大城市病的到来，无线传感网络在交通中的深度应用，为人们的出行提供了方便。通过智能交通平台的搭建，为出行者避免高峰阶段出行及城市管理机构的工作提供了信息服务，及时掌握了道路信息。而且，有效制止了违法犯罪行为的出现，为维护城市安定做出了重要贡献。

2 国内外研究现状

无线传感网络的研究起步早，尤其是美国、欧洲、日本等发达国家更为关注，从21世纪开始，这些发达国家花费了大量的精力致力于无线传感网络技术研究中，引领了全球信息技术的飞跃发展。

2.1 无线传感网络支撑技术的研究现状

无线传感网络应用系统功能强大，主要归功与路由、定位、同步、安全、网管、节能等技术的支撑，从而实现了对于各个领域的监控功能。

2.1.1 定位。在不同的限制条件下，主要基于测距和非测距两种方法，而常用的测距技术有信号强度、到达时间差等，非测距算法主要有质心算法及DV-Hop算法。

2.1.2 路由。经过研究人员的长期钻研，提出了许多精确的算法，主要有平面路由协议、层次路由协议及位置路由协议这三类。

2.1.3 同步。要实现无线传感网络的同步范围、精度，主要有RBS算法、TPSN算法、FTSP算法。

2.1.4 网络管理。无线传感网络的管理至关重要，更是行业研究的重点，主要包含能量管理、安全管理和数据管理。

2.2 传感器节点的国内外研究现状

2.2.1 国外主要节点设备现状分析

一种具有光通信能力的自治传感器节点是美国重点支持的项目，即是Smart dust，最大的特点是体积小、重量轻，因此，该节点附着在其他物体上十分容易，甚至可以实现在大气中浮动。而TMote SKY节点作为加州大学伯克利分校对于火山监测研制出的产品，实现了对活动火山运动情况、周边环境突发状况的掌握。

2.2.2 国内节点设备技术分析

中国科学院沈阳自动化研究所开发了一种通用的、低成本、低能耗的传感器节点；华中科技大学构建了一套芯片节点，但相对功耗较大并不实用；浙江大学现代控制工程研究所为从事面向传感器网络的关键技术研究及理论知识方面的研究，专门成立了无线传感器网络控制实验室，重视程度之高。尽管我国高校及科研院所都致力于无线传感器网络方面的研究，但相比于其他发达国家来说，研究深度及投入的科研力量都比较落后，拥有的自主知识产权较少，创新能力不足。

2.3 环境监测系统的国内外研究现状

最为典型的应用就是美国学者在2004年将无线传感器网络放置在葡萄园中，通过与农业领域的专家一起研究，将信息技术与农业技术深度融合，准确分析了葡萄生长的温度、湿度和病虫害等影响因素，大大提高了葡萄的成熟品质。国内学者将无线传感器网络于2007年应用到了西双版纳的自然保护区内，不仅对自然保护区的生态环境信息可以随时监测，而且发现了许多动物的生活习性及新的动物品种，对于保护区自然灾害的预警工作也提供了重要支持。

3 系统体系结构与网络节点设计

3.1 监测系统体系结构

环境监测主要通过使用由大量互联的微型传感器节点组成的传感网络，从而实现对环境不间断的高精度数据搜集。环境监测系统主要按照低成本、低功耗、实时性、精度高、稳定性的原则来设计。基于无线传感器网络的结构特点，结合环境监测的需求，环境监测系统的设计主要由传感器节点、网络协调器、及监控终端构成。在系统运行过程中，监测区域安装的传感器节点可以将温度和湿度的数据进行采集，然后经过信息网络协调器汇集后，通过监控终端进行一系列的分析、整理和存储，从而完成了对温度、湿度等数据的实时监测。如下图1所示。

图1 监测系统拓扑结构图

环境温湿度采集系统的工作流程包括以下几个环节：（1）在安装传感器节点后，启动电源开关，输入无线传感器网络的指令即可工作；（2）各个传感器节点接受命令。（3）节点将采集到的数据传送到网络协调器和监控设备。环境监测系统的数据传输工作流程如图2所示。

图2 环境监测系统的数据传输工作流程

3.2 环境监测中的关键技术

环境监测的传感器节点应具有体积小、精度高、生命周期长的特点，这样在获得周围环境的确切参数、抵抗监测环境的复杂性及延长传感器网络部署的有效时间等方面才能满足需求，实现环境监测的价值作用。

3.3 无线传感器网络节点设计

无线传感器网络系统中的每一个传感器节点都具有收集、处理数据及无线通信的功能，而每个节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。它的设计原则主要考虑低功耗、优化射频性能、微型化、可扩展性。在设计中，我们掌握了设计的基本原则及结构特点，但应更加注重设计中可能出现的问题，主要有几点：（1）相关联的器件尽可能靠近一些，可以使抗噪声的效果更好；（2）在布置电路时，应注意将出现端附近放置高速运转的器件，稍远处放置低速电路和存储器等，可以有效降低辐射等；（3）应充分考虑器件的散热问题，所以在放置容易发热的器件时尽量考虑布置在易通风散热的位置；（4）对于噪声大的器件，应保证大电流电路尽量远离计算机逻辑电路。

4 结语

本文主要介绍了无线传感器网络的国内外研究现状、环境监测的国内外研究现状，进而对环境监测系统的设计要点、原则、工作流程及数据传输等方面进行了深入分析，系统的设计实现了对环境温湿度的数据采集功能。然而，在以后的研究中，应进一步加强对于环境和农业领域监测参数的多功能系统探讨，如气体含量传感器、光照强度传感器，而节点接口设计对于不同类型传感器的匹配也需要改进；同时，进一步增强系统的稳定性，系统应结合监测环境的特点，做好防水、防潮、防腐蚀等各项保障工作。总之，无线传感器网络具有广阔的应用前景，在农业高度受到重视的今天，借助无线传感器网络实现对农作物生长的实时监测，以保证农业的持续进步，让我国的粮食大国地位进一步夯实，对于国家的经济发展和人们的幸福生活具有重要的意义。

[1]王雪.无线传感器网络测量系统.北京:机械工业出版社,2007,1-46,307-324.

[2]张在深,余旭涛,毕光国.无线传感器网络的研究与实现.中国矿业大学学报,2007,36(5):626-629.

[3]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络.北京:清华大学出版社, 2005，89-90,259-274，409-413.

王松涛（1982—），男，汉族，硕士研究生，工程师，研究方向：环境监测。