無線傳感器網絡在環境監測:無線傳感器網絡在環境監測中的應用

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摘要:

無線傳感器網絡在環境監測:無線傳感器網絡在環境監測中的應用原標題:無線傳感器網絡在環境監測中的應用近年來,隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展,人們對于環境保護和環境監督提出了更高要求,越來越多的企業和機構都致力于在

無線傳感器網絡在環境監測:無線傳感器網絡在環境監測中的應用

原標題:無線傳感器網絡在環境監測中的應用

近年來,隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展,人們對于環境保護和環境監督提出了更高要求,越來越多的企業和機構都致力于在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術。通過無線傳感器網絡的實際效果來看,無線傳感器網絡技術無疑在推動經濟社會發展、促進國家治理體系和治理能力現代化、滿足人民日益增長的美好生活需要等方面發揮著越來越重要的作用。

一、無線傳感器網絡是什么?

無線傳感器網絡是一項通過無線通信技術把數以萬計的傳感器節點以自由式進行組織與結合進而形成的網絡形式。構成傳感器節點的單元分別為:數據采集單元、數據傳輸單元、數據處理單元以及能量供應單元。

數據采集單元通常都是采集監測區域內的信息并加以轉換,比如光強度跟大氣壓力與濕度等;

數據傳輸單元則主要以無線通信和交流信息以及發送接收那些采集進來的數據信息為主;

數據處理單元通常處理的是全部節點的路由協議和管理任務以及定位裝置等;

能量供應單元為縮減傳感器節點占據的面積,會選擇微型電池的構成形式。

無線傳感器網絡當中的節點分為兩種,一個是匯聚節點,一個是傳感器節點。匯聚節點主要指的是網關能夠在傳感器節點當中將錯誤的報告數據剔除,并與相關的報告相結合將數據加以融合,對發生的事件進行判斷。匯聚節點與用戶節點連接可借助廣域網絡或者衛星直接通信,并對收集到的數據進行處理。

二、無線傳感器網絡的實際應用

無線傳感器網絡技術應用于環境監測,改變了以往單一傳感器定點、定時測量的模式。實現了對觀測對象多角度(多種類傳感器)、同步、連續測量。因此獲得的數據更全面,更有代表性,便于描述觀測對象空間與時間變化規律,發現其內在聯系。

三、環境監測對無線傳感器節點的要求

環境監測傳感器通常安裝在室外無人值守的地區,例如揚塵監測儀、自動氣象站等傳感器設備,這類設備在室外傳輸數據時,容易受到干擾和其他信號的攻擊,從而造成系統故障,導致影響傳輸效率。因此,為了保證傳感器網絡之間的通信就需要根據檢測環境,對傳感器網絡節點提出一定的要求。

1、體積小

傳感器網絡節點應該在體積上足夠小,保證對目標系統本身不會造成影響,在某些場合甚至需要節點能小到不被覺察的程度,以完成特殊任務。因此各節點的能源提供模塊體積也要小。

2、環境適應性強

作為環境監測的傳感器節點經常安放于環境較為惡劣,人跡罕至的區域。因此,節點能源提供模塊需要具備較強的環境適應能力,主要是工作溫度,水密性等指標應滿足使用需要。

3、放電特性穩定

隨著芯片制造技術和傳感器技術的發展,節點傳感器、處理器和無線收發模塊的功耗大大降低。因此,節點對供電系統瞬時放電能力的要求不是很高,但持續放電穩定性對系統使用及壽命影響較大。

4、成本低

低成本是傳感器節點的基本要求。只有成本低,才能大量布置,因此供電模塊不能使用價格昂貴的技術方案。

5、無污染

應用于環境監測的節點由于使用環境艱險且數量巨大,因而能源模塊必須采用無污染或低污染的技術方案。返回搜狐,查看更多

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無線傳感器網絡在環境監測:無線傳感器網絡在環境監測中的研究與應用

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無線傳感器網絡在環境監測:無線傳感器網絡在環境監測系統中的應用

【摘要】本文介紹了在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術的幾點優勢,分析了基于無線傳感器網絡技術的環境監測系統的體系結構,給出了三個典型應用領域中該系統的創新性構建方案,并對該類系統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 ZigBee IEEE 802.15.4 能源管理 數據融合
近年來,隨著無線傳感器網絡技術的迅猛發展,以及人們對于環境保護和環境監督提出的更高要求,越來越多的企業和機構都致力于在環境監測系統中應用無線傳感器網絡技術的研究。通過在監測區域內布署大量的廉價微型傳感器節點,經由無線通信方式形成一個多跳的網絡系統,從而實現網絡覆蓋區域內感知對象的信息的采集量化、處理融合和傳輸應用。無線傳感器網絡技術是應用性非常強的技術,它在當前我國環境監測系統中的應用潛力是巨大的。
一、無線傳感器網絡和ZigBee
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器結點通過無線通信技術自組織構成的網絡系統。人們可以通過傳感器網絡直接感知客觀世界,在工業自動化領域,利用無線傳感器網絡技術實現遠程檢測、控制,從而極大地擴展現有網絡的功能。傳感器網絡、塑料電子學和仿生人體器官又被稱為全球未來的三大高科技產業。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。
二、IEEE 802.15.4/ZigBee協議
1、IEEE 802.15.4標準
IEEE標準化協會針對無線傳感器網絡需要低功耗短距離的無線通信技術為低速無線個人區域網絡(LR—WPAN)制定了IEEE 802.15.4標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標,旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速互連提供統一標準。同時ZigBee聯盟也開始推出與之相配套的網絡層及應用層的協議,目的是為了給傳感器網絡和控制系統推出一個標準的解決方案。該標準一出現短短一年多的時間內便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee,并且很快在全球自發成立了若干聯盟。IEEE 802.15.4/ZigBee協議棧結構如圖1所示。協議棧中物理層與MAC層由IEEE定義,網絡層與應用程序框架由ZigBee聯盟定義,上層應用程序由用戶自行定義。
2、ZigBee標準
ZigBee這個字源自于蜜蜂群藉由跳ZigZag形狀的舞蹈,來通知其他蜜蜂有關花粉位置等資訊,以達到彼此溝通訊息之目的,故以此作為新一代無線通訊技術之電磁干擾。因此,經過人們長期努力,zigbee協議在2003年中通過后,于2004正式問世了。
ZigBee網絡是自組織的,并能實現自我功能恢復,動態路由,自動組網,直序擴頻的方式故非常具有吸引力。節點搜索其它節點,并利用軟件“選中”某個節點后進行自動鏈接。它指定地址,提供路由表以識別已經證實的通信伙伴。
三、無線傳感器網絡技術特點
無線傳感器網絡由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型節點組成,節點通過自我組織、自我愈合的方式組成網絡。區域中分散的無線傳感器節點通過自組織方式形成傳感器網絡。節點負責采集周圍的相關信息,并采用多跳方式將這些信息通過Internet或其他網絡傳遞到遠端的監控設備。
四、系統概述
環境監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測環境中的傳感器節點。向上層依次為傳輸網絡,基站,最終連接到Internet。傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成,傳感器節點的體系結構如圖2所示。為獲得準確的數據,傳感器節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控區域內,從而形成多個傳感器網絡。傳感器節點將感應到的數據傳送到一個網關節點,網關節點負責將傳感器節點傳來的數據經由一個傳輸網絡發送到基站上。傳輸網絡是負責協同各個傳感器網絡網關節點、綜合網關節點信息的局部網絡?;臼悄軌蚝虸nternet
相連的一臺計算機(或衛星通信站),它將傳感數據通過Internet發送到數據處理中心,同時它還具有一個本地數據庫副本以緩存最新的傳感數據。監護人員(或用戶)可以通過任意一臺連入Internet的終端訪問數據中心,或者向基站發出命令?;跓o線傳感器網絡的環境監測系統適合于在煤礦、油田安全監測,溫室環境監測、環保部門的大氣監測、突發性環境事故的預測及分析、特殊污染企業的監測,生物群種的生態環境監測以及家庭、辦公室及商場空氣質量監測等領域應用。
五、系統應用特點及架構
1、系統特點
利用無線傳感器網絡實現環境監測的應用領域一般具有以下特點:
(1)無人環境、環境惡劣或超遠距離情況下信息的采集和傳送,保證系統工業級品質安全可靠。(2)生物群種對于外來因素非常敏感,人類直接進行的生態環境監控可能反而會破壞環境的完整性,包括影響生態環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,但僅僅用于監測或控制。(4)系統實施、運行費用要低,無需鋪設大量電纜,支持臨時性安裝,系統易于擴展和更新。(5)具有數據存儲和歸檔能力,能夠使大量的傳感數據存儲到后臺或遠程數據庫,并能夠進行離線的數據挖掘,數據分析也是系統實現中非常重要的一個方面。
2、系統架構
(1)礦井安全監控
礦井利用無線傳感器網絡實現井下安全監控的系統結構框圖如圖3所示。傳感器節點負責井下多點數據采集,主要包括CO、CO2、O2、瓦斯、風速和氣壓等參數,通過井場監控終端(基站)和地面基站傳送給后臺監控中心。后臺監護人員通過該監測系統可及時、有效、全面的掌握礦井情況,有利于礦井實施指揮調度、安全監測,從而可以有效的防止礦井事故的發生。
(2)生態環境監測
傳感器網絡在生態環境監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3Intel實驗室和大西洋學院(The College of the Atlantic,COA)聯合開展了一個名為“in—situ”的利用傳感器網絡監控海島生態環境的項目。該研究組在大鴨島(Great Ducklsland)上部署了由43個傳感器節點組成的傳感器網絡,節點上安裝有多種傳感器以監測海島上不同類型的數據。如使用光敏傳感器、數字溫濕度傳感器和壓力傳感器監測海燕地下巢穴的微觀環境;使用低能耗的被動紅外傳感器監測巢穴的使用情況,系統的結構框圖如圖4所不。
(3)智能家居
無線傳感器網絡還可以應用于家居中,其家用遠程環境監控系統的結構框圖如圖5所示。通過在家電和家具中嵌入傳感器節點,通過無線網絡與Internet連接在一起,用戶可以通過遠程監控系統完成對家電的遠程遙控,例如用戶可以在回家之前半小時打開空調,這樣回家的時候就可以直接享受適合的室溫,從而給用戶提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環境。
六、關鍵技術研究
1、數據融合技術
環境監測應用的最終目標是對監測環境的數據采樣和數據收集。采樣頻率和精度由具體應用確定,并由控制中心向傳感器網絡發出指令。對于傳感器節點來說,需要考慮采樣數據量和能量消耗之間的折中。處于監控區域邊緣的節點由于只需要將收集的數據發送給基站,能量消耗相對較少,而靠近基站的節點由于同時還需要為邊緣節點路由數據,消耗的能量要多2個數量級左右。因此,邊緣節點必須對采集到的數據進行一定的壓縮和融合處理后再發送給基站。Intel實驗室的實驗中使用了標準的Huffman算法和Lempel—Ziv算法對原始數據進行壓縮,使得數據通信量減少了2~4個數量級。如果使用類似于GSM語音壓縮機制的有損算法進一步處理,還可以獲得更好的壓縮效果。表1表明了幾種經典壓縮算法的壓縮效果。
2、安全管理
傳統網絡中的許多安全策略和機制不再適合于無線傳感器網絡,主要表現在以下四個方面:(1)無線傳感器網絡缺乏基礎設施支持,沒有中心授權和認證機構,節點的計算能力很低,這些都使得傳統的加密和認證機制在無線傳感器網絡中難以實現,并且節點之間難以建立起信任關系;(2)有限的計算和能源資源往往需要系統對各種技術綜合考慮,以減少系統代碼的數量,如安全路由技術等;(3)無線傳感器網絡任務的協作特性和路由的局部特性使節點之間存在安全耦合,單個節點的安全泄露必然威脅網絡的安全,所以在考慮安全算法的時候要盡量減小這種耦合性;(4)在無線傳感器網絡中,由于節點的移動性和無線信道的時變特性,使得網絡拓撲結構、網絡成員及其各成員之間的信任關系處于動態變化之中。目前無線傳感器網絡SPINS安全框架在機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播方面已經定義了完整有效的機制和算法,安全管理方面目前以密鑰預分布模型作為安全初始化和維護的主要機制,其中隨機密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的算法。
七、展望
環境監測是一類典型的傳感器網絡應用,在實際的應用中還有很多關鍵技術,包括節點部署、遠程控制、數據采樣和通信機制等。由于傳感器網絡具有很強的應用相關性,在環境監測應用中的關鍵技術需要根據實際情況進行具體的研究。并且隨著無線傳感器網絡技術的日益成熟和完善,我們還可以在各個方面開展許多新的應用,比如軍用傳感網絡可以監測戰場的態勢;交通傳感網絡可以配置在交通要道用于監測交通的流量,包括車輛的數量、種類、速度和方向等相關參數;監視傳感網絡可以用于商場、銀行等場合來提高安全性??梢灶A見,隨著無線傳感設備性價比的提高以及相關研究的不斷深入和傳感網絡應用的不斷普及,無線傳感器網絡將給人們的工作和生活帶來更多的方便。
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無線傳感器網絡在環境監測:無線傳感器網絡在環境監測中的應用  第3張

無線傳感器網絡在環境監測:無線傳感器網絡無處不在 淺談環保監測中的無線傳感器網絡技術

無處不在的無線傳感網絡和數據將成為未來的一個重要的發展趨勢之一。先進的材料、增強的功能和MEMS相結合,使傳感器尺寸和成本得以突破,讓無線傳感器網絡無處不在成為可能。
ADI 總裁兼CEO Vincent Roche先生在年初的一篇產業趨勢展望的文章中指出,無處不在的無線傳感網絡和數據將成為未來的一個重要的發展趨勢之一。先進的材料、增強的功能和MEMS相結合,使傳感器尺寸和成本得以突破,讓無線傳感器網絡無處不在成為可能。他認為通過無線mesh網絡在物聯網和工業應用中的部署,無需大量重新布線即可在現有系統中添加傳感功能,而從傳感器到云的端到端安全性將成為工業用戶大規模部署工業物聯網的基本要求。
而在同期舉辦的ADI媒體交流活動中電源產品中國區市場總監Lorry Liang也透露,該公司無線網絡解決方案SmartMesh在工業及環保等領域獲得了多項重要的成功應用,其中包括中國云南的洱海水質監測。近日,該公司再次公開宣布多個典型應用案例,包括數個環保監測領域的應用案例,筆者整理這些成功案例,希望可以看到環保監測的科技新思路。
寶貴的水資源供應如何預測?
不管是熱電生產、農業、工業或水電生產、積雪量以及每年儲存在積雪中的地表水對于美國經濟都是至關重要,因為此類水源的用戶每年為美國的國內生產總值貢獻達到1.7萬億美元(占比15%)。此外,積雪信息可用于預測干旱和洪澇災害,在公共與私營經濟部門之間均等地分配水資源,而且對于農業規劃也是很關鍵。
然而,支配積雪、融雪和地表水的過程并不為大眾所熟知,因為它們很難測量。直到最近,研究人員一直依靠的都是零星部署在陡峭地形和極端環境情況之偏遠地點的有線傳感器,這些環境包括山洪、厚厚的積雪、冰點以下的溫度、以及具有喜歡啃咬電纜的動物之地方。這些有線網絡過于昂貴、不可靠、難以維護,且由于數據點過少而無法創建流域的態勢圖。
加州大學伯克利分校的一個項目組嘗試探索改善大規模環境監測的方法,并轉向無線傳感器網絡以了解該技術是否能夠實現一種更有效、可擴展和堅固的解決方案,這種解決方案在同一個無線電頻段內需要具有多個節點,即使對于高頻數據傳輸也能依靠電池運行至少一年,而且可在非常嚴酷的環境中正常運作。

雖然他們發現很多商用無線系統都能夠在兩點之間傳輸數據,但硬件通常包含了供電功率相對較高的無線電裝置,此類裝置所需的電能僅靠電池是無法提供的。另外,他們還發現:典型的點對點傳輸系統是獨立運作的,如果多條鏈路部署得過于接近(即是無線電傳輸范圍有重迭),則在節點之間會存在有害的無線電干擾。
最終ADI公司的Dust Networks SmartMesh WSN技術進入該項目組的視線,由于它具有長電池壽命、智能網絡特性和可擴展性。超低功耗的802.15.4 SmartMesh節點可實現長達數年的電池使用壽命。SmartMesh網絡管理器提供的內置技術虧以創建一種自動形成、自愈、多跳網格網絡。事實上,這些特性在大多數無線傳感器網絡中并非標配。
該通信系統由的無線節點和一個網絡管理器組成。這些節點具有高度集成的硬件,以及用于實現簡單集成的可配置軟件接口。節點每15分鐘從負責測量積雪深度、太陽輻射、相對濕度、土壤水分和基質水勢、以及溫度的遠程傳感器組傳送一次數據。有些節點直接連接至傳感器組,其他則用作“中繼站”,以提高通過山脊、巖層露頭和森林進行數據傳輸時的可靠性。
智能泊車方案有效減少城市車流量和污染
據估計,30%的城市車流量是因為駕駛者尋找泊車位而引發的。在洛杉磯一小區里進行的車流量測量研究中,研究人員發現駕駛者為了找尋停車位而行駛超過95萬英里,產生的二氧化碳排放量達730噸,消耗的汽油量為47,000加侖。要找到一個空的車位可謂困難重重,而且充滿了隨機性,因而會導致浪費時間、交通擁堵、產生路怒癥和污染等問題變得愈加嚴重。城市停車執法也是一種低效且極其耗費人力的舉措,通過這種方法來鎖定違法者簡直就像諺語里說的“大海撈針”。

理想的解決方案當然是能夠實時地從個別停車位收集數據,但這并不是一項簡單的任務。要為每個停車位排布供電和通信線路根本是不可能,而要頻繁更換電池同樣如此。因此,解決方案需采用無線技術,而且必需能夠依靠一次可運行數年之久的電池。另外,城市道路也不利于無線電射頻傳輸。汽車、貨車、卡車和公交車形成了持續不斷和動態的障礙物,這些障礙物會使無線電信號發生偏斜、反射和衰減。
綠色環保領域的創新型公司Streetline Networks選擇了SmartMesh無線網格網絡技術來有效解決了這個難題。該公司的智能泊車解決方案將SmartMesh產品集成到其表面貼裝型和嵌入式傳感器中,這些傳感器包含了一系列的感測組件和邏輯器件,用以管理個別泊車位上的收集數據。
SmartMesh 經過驗證和先進的RF 靈活性使得Streetline 能可靠地將道路數據實時地傳輸至其基于網絡的泊車管理應用套件。這些應用能告訴駕駛者哪里可以找到停車位,當停車記時器顯示停車時間快到時可向駕駛者發送提示短信,甚至直接將停車執法人員引導至超時占用泊車位的停車處。目前Streetline Networks 系統廣泛應用在包括紐約、洛杉磯、卡爾弗城(CA)、沃思堡市、阿什維爾,Streetline Networks有效幫助城市減少了交通堵塞,從而使得城市更清潔。
環境監測的幾大關鍵技術特性分析
無論是洱海水質監測還是本文分享的兩個環境監測項目,SmartMesh無線傳感器網絡獲得采納的關鍵無外乎幾大原因:
●動態可擴展的網絡。支持可自動形成和易于擴展的大型、密集、多跳網格網絡,它還提供了安全管理、用于優化傳感器布局的詳細網絡統計數據、確定性的節點電源管理,并可憑借內置的網絡狀態監控功能實施動態的網絡優化。
●易于部署和配置簡單。長電池壽命、智能網絡管理器和堅固的可擴展性。SmartMesh 網絡為苛刻都市環境以及野外不確定性環境提供了必需的靈活性和可靠性。
● 99.99%的高穩定性。SmartMesh產品線經過現場驗證,即使在最嚴苛的環境中也不失穩定性,其為一種完整的網格網絡解決方案。它運用時間同步化網格協議以提供網絡靈活性、可靠性和可擴展性,同時提供先進的網絡管理及全面的安全特性。
●超低功耗讓維護成本更低。其通過負載平衡和優化進一步大幅提升電池效率,可將首次出現需要維護的時間推后。超低功耗技術允許網絡節點依靠兩節AA 電池連續運行數年。

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