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

1、隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，重金屬污染環(huán)境事件頻發(fā)，像震驚全國(guó)的紫金礦業(yè)Cu污染等一系列事件的發(fā)生嚴(yán)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(cè)、預(yù)防和治理工作刻不容緩。然而我國(guó)地域廣闊，地形復(fù)雜，給重金屬污染環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)環(huán)境中的重金屬，為環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理提供及時(shí)的信息。
　　本文首先對(duì)我國(guó)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(cè)方面的優(yōu)勢(shì)做了分析，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國(guó)內(nèi)

2、外研究現(xiàn)狀、架構(gòu)、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)原則、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)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(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，即系統(tǒng)全部采用FFD節(jié)點(diǎn)，但部分 FFD節(jié)點(diǎn)執(zhí)行RFD功能，從而可進(jìn)入休眠模式以達(dá)到降低能耗的目的。簡(jiǎn)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(diǎn)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(duì)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(duì)ZigBee技術(shù)原有的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和AODVjr路由算法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上提出了適合本系統(tǒng)的改進(jìn):系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(diǎn)布設(shè)密度加大策略和網(wǎng)絡(luò)邊緣多采用RFD節(jié)點(diǎn)方法；在分析 ZigBee算法基礎(chǔ)上改進(jìn) AODVjr算法應(yīng)用于本系統(tǒng)，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)根據(jù)能量等級(jí)來轉(zhuǎn)發(fā)包且轉(zhuǎn)發(fā)給子節(jié)點(diǎn)的包的目的節(jié)點(diǎn)一定是子節(jié)點(diǎn)；改進(jìn)算法使 RFD節(jié)點(diǎn)拒絕接收非父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的包，并在RFD節(jié)點(diǎn)中加載

4、兩個(gè)協(xié)議，使 RFD節(jié)點(diǎn)有條件的切換工作來充分利用了節(jié)點(diǎn)能量，均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)的節(jié)能方法和路由改進(jìn)算法節(jié)能效果明顯，網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng)，能量使用效率顯著提高。
　　由于某些重金屬對(duì)其它種類重金屬生物傳感器具有干擾，影響了測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，采用傳感器組的方式對(duì)多種重金屬進(jìn)行平行測(cè)量。由于干擾重金屬對(duì)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(shí)別、預(yù)測(cè)等數(shù)學(xué)方法能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行判斷和校正，克服重金

5、屬對(duì)生物傳感器的交叉干擾而導(dǎo)致的測(cè)量誤差。為此，本文采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模擬的生物傳感器組數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)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(cè)算法，預(yù)測(cè)相應(yīng)重金屬的濃度。濃度預(yù)測(cè)算法采用BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于重金屬對(duì)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(duì)重金屬的種類進(jìn)行判斷，因此，可以訓(xùn)練多個(gè)針對(duì)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(fù)雜程度，方便了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和系統(tǒng)的擴(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在重金屬種類識(shí)別和濃度預(yù)測(cè)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(cè)領(lǐng)域，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒才?、路由算法改進(jìn)和采集數(shù)據(jù)處