王美蕴

（鹤壁职业技术学院 电子信息工程学院，河南 鹤壁 458000）

0 引 言

常规环境质量监测主要依托人工监测和定期观测等方式，这种观测方式成本高需要投入大量的时间和精力，但是却无法获得更高的检测精度和检测效率，使得空间分辨率和分辨范围受限，在短时间内无法发觉环境的异常状况。我国目前生态环境变得更加复杂，人工监测无法适应新时期的发展要求。而先进的物联网监测体系可以对环境监测进行实时自动化处理，全面分析生态环境中空气、土壤以及水源等影响因素，提高环境监测的整体质量。

1 物联网技术和无线传感器技术

1.1 物联网技术

所谓的物联网技术就是物物连接的物联网络，是在互联网基础上发展来的包括万物的连接模式网络，利用射频识别系统和红外感应等设备按照规定的协议将物体和物联网进行连接，实现信息的快速交换，还能够对物体实现智能化识别定位跟踪。物联网就是传感器设备与各种物体连接的通道，帮助人们的生产生活与网络快速结合，为人们营造智能化、网络化以及高效化的生活场景，提高生产效率[1]。

物联网系统主要包括应用层、感知层以及网络层3个部分。感知层由各种传感器设备共同组成，包括识读器、终端摄像头及GPS，能够感知外界环境，收集各种各样的信号及物理信息。网络层则是指物联网络通信系统，包括信息处理中心和智能控制中心等，能够快速及时地处理信息。应用层是指网络化实际运用方向，在人们生产生活的各个领域发挥着非常关键的作用，可以显著提高行业的网络化与智能化发展。

1.2 无线网络传感器

在监测区域内布设大量的微型传感器节点，以无线通信的方式实现自组织网络系统，可以集成化各种微型传感器，实现信息的实时接收和传递。无线通信对各种数据信息进行发送，传感器所获取的信息也能够实现集成化、微型化以及网络化发展，如图1所示。无线传感器网络融入嵌入式计术、传感器技术、无线通信技术以及现代网络技术等，能够增强整个设备感知能力是物联网领域发展的重要前景[2]。

图1 无线网络传感器

无线网络传感器具有可自组织和隐蔽性强的特点，在环境监测中应当根据环境的实际特点对空间进行全方位监测，进行目标定位和环境质量评估，满足各种功能的需求，提高无线网络传感器的感知能力。无线网络传感器具有网络优质性的特点，可以快速掌握信息数据，在短时间内部署无线传感器，增强资源的合理配置与优化。此外，无线传感器网络还有较强的抗破坏能力和抗干扰能力，可以在各种不同的环境下正常工作。随着人们的生产生活水平不断提高，对于信息技术的需求也在不断增强。无线传感网络可以确保信息数据采集，实现零损耗的特点，将整个系统提升到更高的层次。在环境监测中应用无线传感网络非常关键，可以起到良好的效果，对于技术探索也能够提供保障[3]。

2 物联网技术下无线传感网络环境监测系统的开发关键技术

2.1 物联网数据传输可靠性技术

物联网络中网络节点能够确保对外界环境进行全面监测，提高数据传输的整体质量。在环境监测中需要提高数据传输的安全性与稳定性，结合物联网的实际特点，优化设计链路层数据传输，增强数据的安全性，还可以建立物联网系统数据传输的可靠性分析方法，采取相应的管理措施，保证物联网数据传输的整体效果。

2.2 物联网中间件技术

物联网所需要监测的环境规模不断扩大，其系统越来越复杂，使得物联网系统的软件和硬件设计开发受到严重影响。要想实时监测环境数据，确保数据信息的传输应用，可以利用无线传感器网络全面分析环境中的大气和湖泊水源等，结合具体的设计程序，避免出现研发资源浪费的情况，还能够用于网络异构、系统兼容、减少系统设计的复杂性、增强系统和软件应用的整体质量以及减少资源浪费等[4]。

2.3 物联网可重构节点技术

物联网需要具备智能化和协同化的性能，可以根据任务的大小和优先级别自动化调配各种资源，实现物联网的自动化运行。在物联网技术研究中需要自制感知能力，优化分布式处理和信息传输功能，将整个系统划分为多个非重叠模式和共享硬件，避免因为模块重叠导致系统资源出现浪费的情况。

2.4 物联网远程无线软件的升级与开发

在物联网环境监测的背景下，节点系统和软件系统受损以后需要自我修复功能，实现物联网软件的优化。对自然环境进行全面监测，利用无线传感器网络可以实现数据可靠性多跳传输，确保在各种恶劣的环境下依然能够实现软件的更新。

3 物联网技术下无线传感器网络系统开发步骤

3.1 系统架构的整体设计

在物联网技术条件下需要分析生态环境的应用特征，满足系统架构的整体需求，提高服务监测的整体质量。自组织功能的无线传感器节点利用无线传输的形式进行连接，能够对地面、地下以及空中环境进行立体化的全面监测，形成3D物联网环境监测系统，如图2所示。

图2 环境监测系统

3.2 核心单元设计

物联网核心节点设计需要利用控制和信息处理单元、存储单元以及通信单元共同组成，利用分布式电源提供保障。构建适用于不同村镇生态环境的监测体系，结合物联网节点技术和生态环境感知数据进行分析，研发出满足气体、水体以及土体等多环境参数监测的传感器模块[5]。

3.3 系统传输过程设计

为了提高物联网数据信息传输的安全性和可靠性，需要有效控制整个数据传输的节点，设计差错恢复拥塞控制和流量控制等具体方法，建立传感器模型，全面优化区域传感器节点部署和覆盖范围，采取相应的管理措施，保证信息传输的质量。

4 物联网技术下无线传感器网络在环境监测中的具体应用

4.1 无线传感器技术在大气监测中的应用

物联网技术能够在自然环境中自动分析有毒有害物质的浓度、排放量以及排放速度，还能够将数据信息实时传输给环境监测管理部门，制定科学合理的污染管理策略，确保快速及时地处理污染问题[6]。无线传感器网络在环境监测中应用非常广泛，大气监测主要以在线监测或流动监测为主，在线监测能够实现同步监测和监测预报。全面分析未来的大气环境状况，固定监测能够在污染源的排放处安装固定的监测设备，形成分布式网络，对特定的污染物进行全面控制。利用各种无线传感器网络设备，可以对大气环境中的二氧化硫和氮氧化合物可吸入颗粒等数据进行全方位收集，利用网络实时数据传输至监控中心，对环境质量进行自动化分析，明确环境数据处理的整体效果。

4.2 无线传感器技术在水质监测中的应用

水质监测可以在监测点布置传感器和视频监视等传感设备，形成感知层，将所收集到的数据信息利用网络层传输至应用层，根据应用层传感器所在的位置对所有污染信息进行自动化记录，也能够实现综合分析。确保全面管理水质水污染源，构建三层网络传输结构监测体系，在原有的无线网络传输中进行模型改进，保证数据信息传输的连续性。无线传感器网络应用在大气环境监测中，基于无线传感器网络的大气环境监测系统是无线传感器网络在环境监测行业的详细应用[7]。

4.3 无线传感器技术在生态监测中的应用

生态监测可以分为不同的若干分簇，每一个分簇都可以对噪声、温度以及湿度等不同类型的传感器进行优化采集，所收集到的各种数据信息也能够实现自动监控，确保环境监测的质量更加可靠，还能够选择最优的传输路径，有效降低网络环境的整体损耗[8]。

目前，环境监测系统存在很多缺点，包括系统相对较大、安装困难、监测终端太依赖通信基础设施以及监测终端和主控终端使用有线通信需要布线等。无线传感器网络可用于即时监测大气状况，使用多种传感器探头监测大气中相关气体的含量。根据各数据节点收集的风向和气体浓度等多种参数，可以监测毒性气体泄漏。

设计了基于无线传感器网络的多温室环境监测系统结构，并提出了单个温室环境监测软件及硬件对策和方法。无线传感器网络在水环境监测中的应用有较多优点。与传感器、计算单元以及通信模块集成的节点可以通过自身组织形成网络，利用节点内部的各种传感器监测周围环境的水下热、红外以及有毒物质等多种信号，部署方便，不需要支持电缆和其他设施。传感器节点的价格不高，可以合理地放置在广阔的水域，通过节点收集信息的空间相关性，可以获得更准确的环境信息。一般来说，无线传感器网络广泛用于地质监测。青藏铁路550 km的冻土面随着气温的变化容易引起地质问题，对铁路交通安全产生不利影响。相关学者利用多跳方式，研究开发了青藏铁路用无线传感器网络温度监测系统，该系统将数据从传感器节点传输到转发基站的同步节点，然后同步节点利用GPRS网络传输到监测中心。此外利用GSM网络短消息功能设计了包括光纤推力监测设备和含水率监测设备等在内的无线传感器网络地质灾害监测设备，将数据传输到监测中心，及时预测泥石流等。

4.4 无线传感器技术在海洋监测中的应用

海洋监测利用无线传感器网络能够自动化监测营养盐、重金属污染物、化学耗氧量以及有机磷农药等多种参数信息。对所有收集到的数据信息经无线发射装置进行数据采集，实现数据快速收集，构建一种完善的物联网海洋环境，智能发展系统，不同的节点都可以采取不同的连接方式，满足不同的监测点需求。

4.5 无线传感器技术在重金属等污染物质监测中的应用

重金属具有非常强的毒性，很容易在人体内富集，对人的生命健康造成影响，而且重金属污染非常持久，不容易被清除，因此需要对其进行实时监测。物联网技术的环境监测系统中，以远程通信、数据检测、系统控制模块及综合管理终端系统为主要组成部分。远程通信模块以GSM/GPRS和以太网为辅助来传输数据，数据检测模块能够实时检测农田土壤湿度和环境温度等数据，系统控制模块可分析计算数据，依据结果做出综合决策，通过物联网向管理终端传输，管理终端可接收与查看数据，发送决策命令[9]。通信以串口通信为主，可进入接收数据中断服务程序，满足数据接收需求，也可进入发送中断服务程序，以满足数据发送需求。此外，现场环境监测系统可通过水泵接收灌溉命令及GPIO端口控制来实现[10]。

5 结 论

随着无线传感器网络技术的不断发展，在物联网系统中发挥了非常重要的作用，但也出现各种各样的问题，从而影响无线传感器网络设计。要积极采取相应的技术措施，确保无线传感器网络监测系统设计得到有效优化，提高对空气、水以及土壤健康程度的监测水平，及时发现环境污染的问题，并为相关部门提供准确的参考数据，为环境治理提供重要的参考依据。此外要积极探究物联网技术的主要优势，充分发挥物联网技术下无线传感网络的作用，提高环境监测系统的整体水平。