無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠程環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用.pdf

1、隨著我國工業(yè)化進程的加快，重金屬污染環(huán)境事件頻發(fā)，像震驚全國的紫金礦業(yè)Cu污染等一系列事件的發(fā)生嚴重危害了人們的生存環(huán)境和身體健康，重金屬污染監(jiān)測、預(yù)防和治理工作刻不容緩。然而我國地域廣闊，地形復雜，給重金屬污染環(huán)境監(jiān)測工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。本文提出構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)監(jiān)測環(huán)境中的重金屬，為環(huán)境保護和環(huán)境治理提供及時的信息。
　　本文首先對我國重金屬污染現(xiàn)狀及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測方面的優(yōu)勢做了分析，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)

2、外研究現(xiàn)狀、架構(gòu)、特點、設(shè)計原則、關(guān)鍵技術(shù)等進行了深入分析，提出了適合本應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)和無線傳感器節(jié)點的設(shè)計方案，即系統(tǒng)全部采用FFD節(jié)點，但部分 FFD節(jié)點執(zhí)行RFD功能，從而可進入休眠模式以達到降低能耗的目的。簡要闡述了與中科院環(huán)境生態(tài)中心合作研制的生物傳感器組信息采集節(jié)點的工作原理和Jennic公司 JN5148信息處理模塊的相關(guān)信息。
　　其次，根據(jù)系統(tǒng)的通信需求和對現(xiàn)有無線通信技術(shù)的比較分析，選用了ZigB

3、ee通信技術(shù)，在對ZigBee技術(shù)原有的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)和AODVjr路由算法進行研究的基礎(chǔ)上提出了適合本系統(tǒng)的改進:系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的布設(shè)充分考慮了能耗問題，提出距離基站較近的FFD節(jié)點布設(shè)密度加大策略和網(wǎng)絡(luò)邊緣多采用RFD節(jié)點方法；在分析 ZigBee算法基礎(chǔ)上改進 AODVjr算法應(yīng)用于本系統(tǒng)，F(xiàn)FD節(jié)點根據(jù)能量等級來轉(zhuǎn)發(fā)包且轉(zhuǎn)發(fā)給子節(jié)點的包的目的節(jié)點一定是子節(jié)點；改進算法使 RFD節(jié)點拒絕接收非父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的包，并在RFD節(jié)點中加載

4、兩個協(xié)議，使 RFD節(jié)點有條件的切換工作來充分利用了節(jié)點能量，均衡了網(wǎng)絡(luò)負載。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)的節(jié)能方法和路由改進算法節(jié)能效果明顯，網(wǎng)絡(luò)生命周期延長，能量使用效率顯著提高。
　　由于某些重金屬對其它種類重金屬生物傳感器具有干擾，影響了測定結(jié)果的準確性，因此，采用傳感器組的方式對多種重金屬進行平行測量。由于干擾重金屬對被干擾的不同重金屬生物產(chǎn)感器有不同程度的影響，因此，通過模式識別、預(yù)測等數(shù)學方法能夠?qū)?shù)據(jù)進行判斷和校正，克服重金

5、屬對生物傳感器的交叉干擾而導致的測量誤差。為此，本文采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模擬的生物傳感器組數(shù)據(jù)進行模式識別，判斷干擾重金屬的種類，然后，根據(jù)判斷結(jié)果選擇相應(yīng)種類重金屬濃度預(yù)測算法，預(yù)測相應(yīng)重金屬的濃度。濃度預(yù)測算法采用BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于重金屬對生物傳感器輸出的交叉干擾只存在于幾種重金屬之間，并且使用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先對重金屬的種類進行判斷，因此，可以訓練多個針對不同種類重金屬數(shù)據(jù)處理的小型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從

6、而降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復雜程度，方便了網(wǎng)絡(luò)訓練和系統(tǒng)的擴展。重金屬生物傳感器組輸入為不同濃度的重金屬，輸出為不同重金屬生物傳感器的熒光強度數(shù)據(jù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入為不同重金屬生物傳感器的熒光強度數(shù)據(jù)，輸出為重金屬種類及其濃度。因此，采用逆向建模的方式訓練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在重金屬種類識別和濃度預(yù)測上取得較好效果。
　　本文成功的將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到重金屬環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計思想、節(jié)點設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)拓撲安排、路由算法改進和采集數(shù)據(jù)處