动态环境监测的无线传感器网络数据处理研究

宗叶平

（江苏省苏力环境科技有限责任公司 江苏南京 211500）

引言

随着网络通信技术、无线传感技术迅猛发展的趋势下，无线传感器网络技术获得了极其广泛的应用前景，如：空间探测、国防军事、工农业、医疗护理、智能家居、危急救援等，并引入到动态环境监测领域，引发了人们极大的关注，相较于传统的环境监测技术而言，无线传感器网络可以利用其微型无线传感器节点，探测和感知环境信息，对监测区域进行快速部署和监测，适用于环境恶劣的被监测环境之中，具有极强的信噪比和容错能力，能够利用分布式信息处理大量的采集数据，并对其进行智能化处理和分析，极大的提升数据信息的精准度。

1 无线传感器网络概述

无线传感器网络包括固定、移动的传感器节点和多跳自组织的无线网络，整合和集成信息感知、无线通信、数据处理技术，实现对被监测区域的信息感知、数据处理和传输，满足和响应不同应用程序或用户的实际需求，并能够较好地延长网络使用寿命。对于无线传感器网络性能的相关指标，主要涵盖以下方面：网络的能耗；网络响应时间；网络工作寿命；网络覆盖范围；网络感知精度；容错性等，对这些指标要进行综合、统一的考虑，使之具有科学合理性。

面向动态环境的监测存在正常状态和异常状态，为此，无线传感器网络的应用不仅要进行周期性的数据采集、传输和处理，还要能够对异常状态或事件进行及时、动态的预警和提示，这就需要引入无线传感器网络DEM-WSN，利用其多跳自组织的网络通信方式，实现对环境中的温度、湿度、光照、压力、电磁场、振动等内容的监测，并判断和提示异常状态或事件。它表现为以下方面的主要特征：（1）极高的能量管理要求。动态环境存在各种不确定性、随机性、突发性的复杂情形，系统必须持续不间断地进行监测、数据采集和传输，要消耗极大的能量，这就对系统提出了极高的能量管理要求。（2）实现事件检测。面向动态环境监测的无线传感器网络要对监测环境的异常状态进行判断、分析和检测，确保原始数据的真实可信性。（3）实时性。动态环境监测的无线传感器网络系统必须实现及时、远程、实时的动态监测和控制，将异常事件引发的损失降低到最小。

2 面向动态环境监测的无线传感器网络数据处理应用关键技术

动态环境监测无线传感器网络的数据表现出不确定性的特点，系统中的WSN数据会受到诸多因素的影响存在部分缺失、模糊、夹杂噪音等问题，导致WSN数据出现不确定性的因素主要包括有传感噪声、传感误差、传输错误、时空偏移等。另外，还存在因非法入侵、恶意攻击而出现的错误、无效的数据，使WSN数据出现非信任性的特点。为此，要重点分析和把握面向动态环境监测的无线传感器网络数据处理关键技术，提高环境监测的效率和安全性：

2.1 容错数据估计

无线传感器网络应用于动态环境监测的复杂环境之中，会受到诸多因素的限制和影响，如：传感器节点自身的体积、成本、温度、湿度、电磁场、噪音等，导致其对环境监测的数据处理能力受到约束，会出现难以避免的节点失效性和数据丢失现象，如果对这些数据缺失、异常的现象不进行及时的处理，就无法进行数据处理。传统的直接删除或忽略的数据处理方法存在一定的缺陷，因而可以考虑采用更为有效的数据处理方法，如：快速便捷的基于最近邻居的缺失值估计算法；基于贝叶斯公式估计方法等，它们充分考虑数据的内在属性及相互关联性，较好地实现对缺失数据的估计和处理。

2.2 定位技术

无线传感器网络通常应用于复杂、恶劣的环境之中，其节点位置是随机、不确定的，为此，要对无线传感器的节点进行准确的定位，相关的定位技术包括有：（1）全球定位系统（GPS）。它是应用相对成熟和普遍的技术，应用优势在于精度高、抗干扰能力强；然而应用缺陷在于受限于传感器节点处理能力、存储及通信能力，不适于数量庞大、能源有限的传感器节点应用。（2）机器定位技术。这是利用无线传感器节点与机器人节点的相似性，而进行准确的定位，然而其缺陷在于机器人节点分布松散，不适宜直接应用于传感器网络定位之中。（3）节点定位算法。它主要包括有无需测距的定位技术和基于测距的定位技术，由于无需测距的定位技术抗干扰性强、成本较低、精度高，因而是当前主要的定位技术。

2.3 事件感知与收集

无线传感器网络的动态环境监测可以通过查询、定时上报、事件触发等不同模式，进行事件的感知和收集，但是，在应用中要充分考虑不同的时空特点、网络拓扑结构、能量消耗等，并设置高度灵活、动态的数据信息分发、收集、处理机制。

结语

要重视面向动态环境监测的无线传感器网络应用，基于网络数据的特点，采用适宜的无线传感器网络数据处理关键技术，较好地实现数据的同步协同处理。