摘 要：介紹了在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網絡技術的幾點優(yōu)勢，分析了基于無線傳感器網絡技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結構，給出了三個典型應用領域中該系統(tǒng)的創(chuàng)新性構建方案，并對該類系統(tǒng)中的幾種關鍵技術進行了研究，最后對無線傳感器網絡技術的應用前景進行了展望。
　　關鍵詞：無線傳感器網絡;節(jié)點;能源管理;數(shù)據(jù)融合

　　1 引言

　　近年來，隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發(fā)展，以及人們對于環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)督提出的更高要求，越來越多的企業(yè)和機構都致力于在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中應用無線傳感器網絡技術的研究。通過在監(jiān)測區(qū)域內布署大量的廉價微型傳感器節(jié)點，經由無線通信方式形成一個多跳的網絡系統(tǒng)，從而實現(xiàn)網絡覆蓋區(qū)域內感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測手段相比，使用傳感器網絡進行環(huán)境監(jiān)測有三個顯著的優(yōu)勢：一是網絡的自組性提供了廉價而且快速部署網絡的可能;二是現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可通過中間節(jié)點進行（路由）傳送，在不增加功耗和成本的前提下，可將系統(tǒng)性能提高一個數(shù)量級;三是網絡的健壯性、抗毀性滿足了某些特定應用的需求。無線傳感器網絡技術是應用性非常強的技術，它在當前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用潛力是巨大的。

　　2 系統(tǒng)概述

　　環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網絡屬于層次型的異構網絡結構，最底層為部署在實際監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點。向上層依次為傳輸網絡，基站，最終連接到Internet。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成，傳感器節(jié)點的體系結構如圖1所示。為獲得準確的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點的部署密度往往很大，并且可能部署在若干個不相鄰的監(jiān)控區(qū)域內，從而形成多個傳感器網絡。傳感器節(jié)點將感應到的數(shù)據(jù)傳送到一個網關節(jié)點，網關節(jié)點負責將傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)經由一個傳輸網絡發(fā)送到基站上。傳輸網絡是負責協(xié)同各個傳感器網絡網關節(jié)點、綜合網關節(jié)點信息的局部網絡。基站是能夠和Internet相連的一臺計算機（或衛(wèi)星通信站），它將傳感數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，同時它還具有一個本地數(shù)據(jù)庫副本以緩存最新的傳感數(shù)據(jù)。監(jiān)護人員（或用戶）可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數(shù)據(jù)中心，或者向基站發(fā)出命令。基于無線傳感器網絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適合于在煤礦、油田安全監(jiān)測，溫室環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保部門的大氣監(jiān)測、突發(fā)性環(huán)境事故的預測及分析、特殊污染企業(yè)的監(jiān)測，生物群種的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及家庭、辦公室及商場空氣質量監(jiān)測等領域應用。

　　圖1 傳感器節(jié)點體系結構

　　3 系統(tǒng)應用特點及架構

　　3.1 系統(tǒng)特點
　　利用無線傳感器網絡實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的應用領域一般具有以下特點：
　　（1）無人環(huán)境、環(huán)境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級品質安全可靠。
　　（2）生物群種對于外來因素非常敏感，人類直接進行的生態(tài)環(huán)境監(jiān)控可能反而會破壞環(huán)境的完整性，包括影響生態(tài)環(huán)境中種群的習性和分布等。
　　（3）需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備相對比較多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。
　　（4）系統(tǒng)實施、運行費用要低，無需鋪設大量電纜，支持臨時性安裝，系統(tǒng)易于擴展和更新。
　　（5）具有數(shù)據(jù)存儲和歸檔能力，能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到后臺或遠程數(shù)據(jù)庫，并能夠進行離線的數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)分析也是系統(tǒng)實現(xiàn)中非常重要的一個方面。

　　3.2 系統(tǒng)架構

　　3.2.1 礦井安全監(jiān)控

　　礦井利用無線傳感器網絡實現(xiàn)井下安全監(jiān)控的系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點負責井下多點數(shù)據(jù)采集，主要包括CO、瓦斯、風速和氣壓等參數(shù)，通過井場監(jiān)控終端（基站）和地面基站傳送給后臺監(jiān)控中心。后臺監(jiān)護人員通過該監(jiān)測系統(tǒng)可及時、有效、全面的掌握礦井情況，有利于礦井實施指揮調度、安全監(jiān)測，從而可以有效的防止礦井事故的發(fā)生。

　　圖2 礦井無線傳感器網絡環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

　　3.2.2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

　　傳感器網絡在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面的應用非常典型。美國加州大學伯克利分校計算機系Intel實驗室和大西洋學院（The College of the Atlantic, COA）聯(lián)合開展了一個名為 “in-situ”的利用傳感器網絡監(jiān)控海島生態(tài)環(huán)境的項目。該研究組在大鴨島（Great Duck Island）上部署了由43個傳感器節(jié)點組成的傳感器網絡，節(jié)點上安裝有多種傳感器以監(jiān)測海島上不同類型的數(shù)據(jù)。如使用光敏傳感器、數(shù)字溫濕度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測海燕地下巢穴的微觀環(huán)境;使用低能耗的被動紅外傳感器監(jiān)測巢穴的使用情況，系統(tǒng)的結構框