无线传感器网络在水质监测中的应用

吴守霞 高文琪

（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）

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。

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，并将其几大特点进行展示，从实用的角度出发，介绍了一些无线传感网络的技术应用。

[1]赵玉成,谷小青,顿文涛,蔡镔,张风仙,袁超.无线传感器网络在土壤肥力监测中的应用[J].代农业科技,2013(10).

[2]何永贤,胡月明,叶云,姜晟,张飞扬.无线传感器网络在农畜产品生产环节监测中的应用研究[J].农业网络信息,2013(26).