基于无线传感器网络的环境监测技术研究

＊曹桂荣 任英浩

（1.山东省东营生态环境监测中心 山东 257091 2.东营市危险废物与辐射安全管理中心 山东 257091）

引言

在过去几十年的发展中，我国在加快社会生产建设，促进各行企业发展的同时，产生了一系列环境污染，资源浪费问题。现阶段，为了我国进行生产建设的过程中，越来越重视环境问题以及资源问题，基于当前以环境保护与绿色生产为导向的发展战略中，大力推进环境监测技术的发展与应用是非常有价值的。而现阶段，在开展环境治理与环境保护等相关工作的过程中，越来越追求信息化与效率化。

1.研究的背景及意义

环境监测一直是开展环境治理以及推进后续环境保护措施的基础。通过环境监测，我们可以根据各项环境指标，系统性地评判一个区域的环境质量。在现代的环境监测中，所涉及到的监测项目是丰富而多样的，包括水环境的水温，pH，悬浮物，硬度，COD，BOD，各类重金属离子的浓度等。基于不同环境类型，进行环境评判的过程中所需要采取的环境模型也有所差异，因此为了有效地控制一个区域的环境质量，针对性地采取优化与治理措施，就需要通过环境监测技术进行大量的环境指标采集。包括水环境，土壤条件，生态环境等多项内容。借助信息化的环境监测技术，不仅能保障监测指标的精确性，同时能够极大地提升环境监测的效率，从而为后续的环境评估打下基础。以大量精确的各类实时环境指标为基础，就可以借助现代环境治理的相关知识，针对不同的环境类型，构建相应的环境模型，从而推测污染物的来源及数量，从而进一步进行科学的定量计算，以便于后续环境治理工作的开展。

当前生态治理与环境保护越发讲究学科的交叉与结合，在现代的环境评估过程中大量地加入了信息化技术，以简化计算，从而有效地利用监测数据。当前环境保护的发展方向逐步从过去的人为制定的环境治理模式，转变为以环境监测数据为基础，环境治理知识为导向的数据化与科学化环境治理。而推动信息化环境治理的关键内容就是推进信息技术在环境监测中的应用。因此，基于无线传感器网络的环境监测技术，不仅是通信技术与环境治理工作结合的出发点，也是构筑数据化环境治理模式的关键。可以说，现阶段基于无线传感器网络的环境监测技术的应用广度，直接决定着后续环境治理技术的发展以及环境治理技术的提升。而对于我国这样一个环境污染问题严重，环境类型复杂，环境治理难度极高的特点下，加强对应无线传感器网络的环境监测技术的研究与应用，是后续环境治理技术提升，以及环境保护战略落实的关键。

2.国内外研究现状

基于各国的发展历程来看，由于国外率先开展工业革命，在早期的工业生产过程中广泛存在着先污染后治理的过程，因此基于这一背景，国外对应环境污染，生态破坏等问题的意识较强，并且在多年来的发展过程中其相应的环境治理技术也较为先进。早在20世纪中期，美国和日本等发达国家，就率先实现了对于湖泊，河道等地表水环境的自动在线监测。随后，美国，日本及欧洲各国，也先后开展了信息化水质检测的研究。步入21世纪后，随着无线通讯技术的发展，自动控制技术的提升，环境监测技术的智能化程度不断提高，国外的环境监测技术日益成熟，并在环境监测领域取得了一系列成就。例如，全国海洋监测系统GOOS，可以对较大范围的水域进行不同深度的监测。澳大利亚的LakeNet系统，以及2006年建成的英国特伦特河预警系统等。这些环境监测系统，正是基于无线传感器网络的环境监测技术的实际应用成果，并在后续的环境治理工作中发挥了重要作用。

我国对应基于传感器技术，通信技术在环境监测中应用的研究始于20世纪八十年代，相较于国外环境监测技术的发展较为落后。在1988年，天津从瑞士BBC河英国Kent公司引进水质监测系统。我国的环境监测技术在早期阶段的主要特点为，研究技术落后，采用设备多为进口，自主研发能力不足等特点。而由于环境监测设备多为国外引进这一缺陷，导致我国环境监测技术的发展依赖性较强，同时由于国内外环境类型的差异，使得基于国内复杂的环境类型，不适合应用国外较为精密的监测仪器，因此在我国早期环境监测技术的发展与应用过程中，虽然进行了大量的资金与人力投入，但所取得的成效较为浅薄，这也是当前阶段我国环境治理技术发展落后的原因之一。在当前阶段，随着我国通信技术，及计算机技术等硬件技术的不断发展与壮大，同时我国对于环境治理的重视程度也不断提升，从而使得当前阶段我国环境监测技术得到了巨大发展。但从整体上看，我国环境监测技术与环境治理技术与国外还存在着不小差距，基于无线传感器网络的环境监测技术的进一步研究与应用仍然十分迫切。

3.基于无线传感器网络的环境监测技术原理及核心

基于无线传感器网络的环境监测技术的核心内容就是无线传感器网络。无线传感器网络是现代通讯技术与计算机技术的结合产物。无线传感器网络中包括三类节点，协调器，路由器和无线传感节点。其主要工作原理如下：（1）在接通电源后，由协调器建立网络。（2）路由器和无线传感器节点加入网络。（3）无线传感器节点开设发送传感器数据。基于无线传感器的工作原理及主要组成部分，无线传感器网络具备以下特点：（1）无线传感器网络中节点数量多，分布不规范。（2）无线传感器网络中的节点和协调器具有自动组我能力，实现数据从节点到协调器间的能量消耗最少。（3）无线传感器网络是一个以数据为中心的网络，节点和协调器之间通过数据交换实现相应功能。可见，无线传感器网络，是一个由协调器，路由器和无线传感节点三类节点所组成的统一整体，在各部分的独立工作与协调配合中，无线传感器网络，具有较高的稳定性与较好的协调性，从而保障了网络整体的质量。此外，除了无线传感器网络的内部工作机理，针对环境监测工作的各项内容及环境监测的要求，为了进一步达成无线传感器网络与环境监测技术相结合的目的，需要进一步提升传感器等设备的硬件功效。例如，在实际的监测过程中需要监测的环境指标较为丰富，涉及到的监测环境较为复杂，对应传感器的质量要求也更为严苛。例如对于不同程度污染的水源，为防止因传感器遭到污染水源的化学腐蚀或其他因素的影响，需要制备传感器的材料及工艺都采用一定特殊处理，从而保障信息采集的稳定性。

综上，基于无线传感器网络的环境监测技术，其核心内容是无线传感器整体在其自身的三个节点的协调作用下，所形成的工作机制，从而保障了无线传感器所构筑的整体网络质量。而在环境监测技术的发展中，正是应用无线传感器的网络稳定性，实现了以传感器为数据采集点的环境监测工作。在实际的环境监测工作中，除了保障数据的准确性及数据传输的稳定性，还需要保障数据内容的全面，基于不同的环境类型，所需要采集的环境指标及相应的环境数据也不同，而受不同环境因素的影响，对应传感器等设备的硬件要求也不同，因此在发展与推广基于无线传感器网络的环境监测技术过程中，需要结合不同地区的生态环境，构筑不同的环境监测系统，以满足当地的环境监测需求，同时最大程度上优化环境监测系统的利用率，从而提升环境监测系统的实际效益，从而进一步促进环境监测技术的发展。

4.环境监测技术面临的后续发展与挑战

随着今后通讯技术与计算机技术的发展，基于无线传感器网络的环境监测技术将更加成熟，在实际的环境监测工作中所采用的无线传感器网络，采集数据的效率，以及传授数据的效率将进一步得到提升。例如在当前阶段由美国所设计的CC2530无线模块，进一步提升的数据处理与数据转换能力。由加州大学伯克利分校的研发人员所开发的Tinyos操作系统，则是从无线传感器模式上进行优化，从而大幅地提升了数据采集及处理的效率。在今后的环境监测技术发展过程中，环境监测将朝着信息化与智能化的方向进一步发展，所需要借助通讯技术与科学技术的内容更加丰富。因此在未来阶段基于我国当前严峻的环境问题，在进一步发展环境监测技术以实现环境治理技术达成质的飞跃非常关键。在进一步加强对于环境监测技术研发，提升对应环境保护技术研发的投入以外，还需要进一步促进通讯技术与计算机技术等高新技术的发展，未来的环境监测技术及环境治理工作是离不开信息化技术的，只有把握信息化技术的命脉才能从根本上保障环境治理技术的发展。

5.结束语

基于无线传感器网络的环境监测技术是通讯技术与环境治理内容相结合的具体表现。而环境监测技术，不仅是通讯技术应用于环境治理工作中的出发点与着手点，同时也是保障后续环境治理工作进一步发展的基础。只有从环境监测技术上实现信息化与数据化，才能进一步促进智能化的环境治理。在当前我国严峻的环境问题背景下，我国的环境监测技术及环境治理技术与国外还存在着大量差距，虽然基于当前阶段，以无线传感器网络这一模块的通讯技术基础已经完备，但对应无线传感器网络与环境监测工作的结合，以及实际环境监测系统的构建还存在着一系列问题。当前阶段，我国需要逐步摆脱国外环境监测系统的依赖，掌握核心的系统研发技术，从而结合我国独特的环境类型研发相应的环境监测系统，同时进一步发展通信技术与计算机技术，并将这类信息化技术更多地应用于环境治理工作中，才能促进我国环境治理取得长远发展。