无线传感器网络在水质监测中的应用.pdf

36 我国水资源的总量是非常丰富的，但是人均水资源 与国际的平均水平相差很远，同时由于工业发展对于水资 源的污染越发严重，使人们在发展的同时也受到了大自然 的惩罚，因此在 2011 年始，国家已将合理利用水资源制 定成一项重要的国策。随着科学技术的不断发展，计算机 通信和网络技术的发展，都应用于水质的检测，特别是近 年来无线传感器网络已经在水质检测中组成一套完整的水 质检测系统，实现了水质的自动检测，虽然初具影响力但 是还是要不断的进行完善研究。 1 无线传感器网络的概述 无线传感器网络简称 WSN，它是由空间里离散分布 的多个传感器相互协作而形成的无线网络系统，这些分布 在不同场所的大量传感器的节点两两之间能够进行通信， 如图 1 所示。 图 1 无线传感器网络示意图 严格来讲 WSN 的联网广泛性要比 Internet 更好，因 为后者仅仅是改变了人与人之间的交流方式，而 WSN 能 使人和自然进行沟通和交流，将物理世界和信息世界进行 融合，因此所涉及的研究领域也更加广泛，比如电子信息 类、智能决策、知识工程等很多具有融合点的学科。 传感器网络开始要追溯到上个世纪的 70 年代，第一 代传感器网络是由点对点的传输技术将传感器进行连接； 然而经过 20 年的发展到了 90 年代，电子信息学科取了 巨大的发展和长足的进步，传感器的连接方式不仅仅是串 联还出现并联的接口，这种连接方式能够同时获取多种信 息，然后再进行综合处理，这便是第二代传感器网络；自 90 年代到进入 21 世纪初，在现场总线的控制下，将传感 器构成一个局域网络，这便是第三代传感器网络；而第四 代传感器目前已成为全世界的研究热点，它的主要特点就 是在各个传感器之间利用无线控制技术，构建一个局域网 络。传感器网络的四个发展历程表现出其循序渐进的研究 成果，随着技术的更新，每一次改变均会让无线传感器的 应用范围变的更加广泛。图 2 为传感器网络的发展历程。 目前无线传感网络的应用领域是进行对水下的特定 检测任务，其原理是将无线传感器分布在水下，然后利 用水声的通信方式自行组建一个局域网络，然后各个节点 之间进行协同作用，最终完成检测任务。主要应用于水质、 水文检测和水下预警等。 无线传感器网络在水质监测中的应用 Research on application of wireless sensor network in monitoring of water quality 吴守霞 1 高文琪2 （1 兰州工业学院电信学院，甘肃 兰州 730050；2 兰州工业学院土木工程学院，甘肃 兰州 730050） 摘 要 ：社会的不断进步，工农业的不断发展使人们的生活水平逐步得到提高，但是在经济不断发展的情况下，由于 工农业的发展而导致的环境污染越来越严重。主要表现在大气污染和水污染，其中水资源的污染直接影响着经济的发展， 间接的影响了人们生活的进一步提高。因此水质监测显得非常重要，而目前在进行水质监测中应用最广泛的是无线传感器 网络，它是集合了通讯技术、计算机技术、传感器技术成一个整体的网络系统，其特点是覆盖的范围非常广、组网灵活性 很强，另外就是运营的成本较低，所以非常适合在水质监测中应用。本文简单介绍无线传感器网络在水质监测中的应用。 关键词：无线传感器网络；水声通信；水质监测 Abstract：the progress of the society,the continuous development of agriculture and industry make peoples living standards gradually improved,but in the case of the continuous development of economy,due to the development of industry and agriculture and environmental pollution is more and more strict.Mainly in air pollution and water pollution,water pollution directly affects the economic development,indirect influence the further improvement of peoples life.So it is important to water quality monitoring,and at present in the water quality monitoring is the most widely used in wireless sensor networks, it is the collection communication technology, computer technology,sensor technology into a whole network system,its characteristic is to cover the range is very wide,flexible networking,the other is the operating cost is low,so it is suitable for application in water quality monitoring.This paper simply introduces the wireless sensor network application in water quality monitoring. Key words：wireless sensor network (WSN)；underwater acoustic communication；water quality monitoring 中图分类号：X82 文献标识码：B 文章编号：1003-8965(2014)06-0036-02 节能环保 37 图 2 传感器网络的发展历程 2 无线传感网络的特点 1）WSN 是大规模自组织网络。无线传感网络的节 点数目一般比较庞大，因此系统具有非常强的鲁棒性能， 另外节点数目的缘故其检测区域的覆盖面积也会得到扩 展。2）WSN 是多跳路由的动态性网络。虽然节点数目比 较多，但是能量比较有限，因此通信发射功率会比较小， 整个传感器网络里节点的单挑通信距离很短，所以只能在 临近的节点之间实现单跳，从而实现通信。传感网络中没 有特定的路由设备，而路由功能是通过网络节点之间的互 相协调来完成的，因此可以将每个节点视为路由设备又可 以当做端设备。3）WSN 是以数据为中心的网络。传感器 网络是一个任务型网络，如果该网络内部的节点较少，那 么每个节点均可能被分配一个整个网络独一无二的标识符 号；如果节点比较多，那么将不会实现每一个节点均会拥 有独有的标识符号，节点标识需要通信协议的支持。网络 动态变化直接影响全网发生动态节点标，节点的编号和地 理位置的关系不大，如果用户想要了解信息时，所传输的 数据只是个别节点的数据，而非整个网络的所有节点，因 此该网络被称以数据为数据中心的网络。 3 基于 WSN 的水质监测方法 3.1 物理光学分析法 物理光学分析法是根据光学性质进行建立的，其原 理是光电转换，然后使用电子器件的相互作用，测定光学 的辐射强度，来对物质进行定量和定性分析。其又可细分 为光度法和原子吸收法、荧光分析法、发射光谱法等。其 中使用最多的是光度法，即在红外线和紫外线区便可称之 为红外紫外光度法。物理光学分析的优点是：分析的速度 非常快、自动化程度较高、检测的精准度很高；缺点是检 测仪器的价格较昂贵，因此一般只是作为实验室的进行滴 定实验的辅助仪器。 3.2 电化学传感器测量法 该种检测方法主要是根据电化学性建立起来的，其 理论基础是试样的电响应或者物质自身的化学体系。传感 器的感知模块所获得信号较弱为毫伏级，通过滤波放大之 后经 A/D 转换，然后传输到嵌入式系统进行处理。这种传 感器的分类依据是输出信号的不同，一般有电导型、电流 型、电位型。其优点就是经济成本相对较低，所以很适合 大规模的投入使用，缺点是由于技术的限制，因此检测的 数据准确度会大打折扣。 图 3 基于 WSN 的水质监测网络示意图 无线传感网络在进行水质监测时很少有专门的工作 人员进行参与，在检测过程中主要由传感器节点、远程数 据服务器和无线通信网络之间进行协调展开工作。因此该 系统主要由三部分组成，分别是数据的采集、数据的传输 以及最后分数据处理，三者的关系图详见图 4。 图 4 基于 WSN 的水质监测系统逻辑示意图 4 结 语 目前无线传感器网络的应用非常广泛，水质监测只 是众多领域之一，本文通过对无线传感网络的概述，详细 讲解了无线传感网络的基本概念，并将其几大特点进