外文翻译译文-无线传感器网络水质监测：赞比亚实例

附件1.外文资料翻译译文无线传感器网络水质监测：赞比亚实例NchimunyaChaamwe中国武汉华东科技大学电子信息工程学院摘要水质监测水质监测是一项十分重要事业，它将保证安全和清洁的水被交付给最终用户。在控制物理、化学和生物特性的用水中，水质监测是必不可少的。为了确保一个完整的和包容各方的地下水和地表水监测，在许多不同地点和不同研究环境下的需要进行数据采集。现阶段在赞比亚使用的水质监测方法大多仍稀少且要手工操作的。本文目的是使用无线传感器网络来监测水质，利用廉价、有效、方便的具有感知、处理和传送感知数据功能的节点。关键词赞比亚；水；水质监测；无线传感器网路；传感器1综述水质监测是量化的测量水质变量如在一段时间内水中的悬浮沉积物、温度，营养物和病原体和水的质量，另一方面反映了由于自然原因和人为活动而影响水的组成和特点。表示为相关的可衡量的水的预定用途，如饮用水。有三种主要可用的水质监测的方法，包括离散，机械和自动的方式。离散监测是常见的和传统手动方法，包括取样的水送到实验室进行分析。机械水质量监测方法在一个容器包含示例瓶子是在主体获得水机械样品的水，然后送到实验室分析。自动水质监测（awqm）是方法将水质传感器放入水体，它将通过传感器连续测并把信息是存储在内存。水质监测的最终及首要目标是确保安全和清洁的水输送给消费者。清洁和安全的水比黄金或石油更为宝贵，因为水就是生命。2006年，根据从赞比亚统计处数据，赞比亚获得的安全水家庭占用比例是59%。一直以来由于这个国家目前现有的落后的监测方法使得这个59%的安全和卫生水是不准确的。例如根据至少有1000人进了医院及诊所抱怨胃痛，严重的呕吐和腹泻，其中13已人住院据称在饮入附近已被污染的饮用水后。这是由于酸性废水的莫帕尼铜地雷意外地进入了一个私人水水系统公用事业公司，这一事件发生于2008年1月，赞比亚北部。这一悲剧本来是可以通过一个有效的水质监测计划避免的。赞比亚环境会议（ECS），该机构负责赞比亚环境政策问题，根据经验发出警告说源于更多的采矿活动，国家预计会有越来越多的空气、水污染。在赞比亚主要的疾病暴发主要是由于水传染的疾病。为了抑制这些暴发，可以有一定的干预，包括对社区促进安全饮用水的供应和活动中心水质监测。无线通信的最新进展是体积非常小，成本低能积极开发和利用，传感器具有传感，信号处理无线通信能力。无线网络由大量微小的低功耗收发器传感器组成，在不同的环境收集数据，可以成为一种有效的工具，包括水质监测。各传感器把采集到的数据通过网络送到单独处理中心称作水槽，它会用所有报告的数据来确定环境特征或检测事件。使用无线传感器网络来执行监测系统利用快速和灵活部署的传感器节点。部署非常灵活，传感器节点可以是成片扔或一个一个放置在传感器领域。他们的部署可以从飞机上扔下或通过无论是人类或机器人一个一个放置。水质监测需要将传感器节点入水，无论是静态或移动。水下传感器网络（uwsns）与地面传感器网络有着一些共同的性能，如节点数量大和能量有限等，尽管uwsns虽然在某些方面不同于普通地面传感器技术。首先，无线电通信是常见地面传感器节点的正常通讯模式在水下就不能正常工作，他们必须取代水声通信。其次，虽然大多数地面传感器是静态的，但是水下传感器节点可以随着水移动或进行其他水下活动。考虑到目前在赞比亚水质监测方法中某些属性，本文着眼于为什么传感器是最好的选择的，它还认为研究工作将改善这些性能。本论文分为章节，第二章，论述现状，在第三部分，论述了类似工作，在第四节着力于传感器网络的特点及所给出的优势、现有的方法和第五总结。2赞比亚水质监测方法在赞比亚水质监测方法可分为四种：操作监测，实验室方法，生物指标和威尔斯监测。这些方法用在离散和机械方法水质监测。A操作监测操作监测是水质监测的一个方法，涉及建立或计划的意见测量来确定一个安全供水系统的正常运行的关键组成部分的，例如确保管道将水送入房子保持完好，确保安全供水。操作监测是基于简单的快速观察或试验，如混浊或完整的结构性而不是复杂的化学分析。B实验室方法在赞比亚地表水质量监控这是最广泛使用的方法，它是利用负责向社区提供水的水公司和研究人员二者。利用容器收集样品水并发送到实验室进行分析温度、电导率、碱度、溶解氧（DO）生化氧的需求（BOD）、总悬浮固体（TSS）、PH值、氯化物、硫酸盐、硝酸盐和重金属使用标准方法。通过从选定地点收集的水和沉积物样品，将所收集的样本进行分析利用原子吸收分光光度法，根据作者有关污水影响的研究，小溪与河流的水体含有锌和镍金属达到污染水平。这种方法的工作是方式首先，建立在该波长金属能检测，再将溶液吸入蒸发处的火焰。金属原子激发到更高水平。所吸收的能量的金属量和浓度，然后读取校准曲线通过分析得到的标准解决方案。C生物指标在水源为较大贫困的赞比亚，鱼和其他生物体作为生物水质指标，特别是在溪流和河流。作者的研究指出，在卡富埃河的某些领域减少在捕鱼量和捕鱼的大小，污水负荷源于多年来采矿，工业和农业活动排放到卡富埃河流域的污染物，导致河水的质量恶化和环境变差。D威尔斯监测一个监测井的定义是一个精心设计的，安装设备用于获得代表性的地下水质量样品和一个含水层水文地质信息。威尔斯监测的一般目的是提供废物储存附近地下水取样受控访问或处理设施，以便发现渗流并监测污染物渗流对地下水质的影响。在赞比亚监测地下水水质常用的方法是使用威尔斯监控。这方法主要应用在地下水污染的矿区。当使用威尔斯监测，污染物浓度的水平是经常被监测的，以确定它们是否是增加，下降，或保持不变。监测中的威尔斯监测应用也表现在和附近的水供应来源确定的质量和趋势水质指标。图1用鱼表明水被污染的例子图2监测井结构示意图3相关领域的发展无线传感器网络已经提出并正在拟议中的一些应用。它们可以被用于军事它们是军事指挥，控制，和监视，控制和跟踪敌人中的一部分。无线传感器网络也可用于工业，在医院等。一些关于使用无线传感器网络的水质监测的研究已经完成，执行的一个称为水下传感器网络水质监测项目报告以及项目的最终目标实现了一个分层水质传感器网络结构，降低水质传感器网络的成本，在一个给定的区域面积内增加一些传感器节点的部署。为实现上述功能，将整个网络根据信号强度分成几组，就像普通聚类每个簇头节点会从群集中的其他节点接收收集到的数据，本簇头节点将发送收集到的数据的汇聚节点。在使用无线传感器网络监测地下水水质项目报告中，该项目涉及对孟加拉国地下水砷的患病率的理解。另一个项目是在加利福尼亚，通过土壤和地表水在监测硝酸盐。在波罗的海，一份报告了给出了有关的设计和一个实现了专门采集温度数据的传感器网络的设计中的一个划算的方式。在18节点描述为一个水传感器网络（ASN），提出能够自主，不断，原位和实时监测河流，湖泊，海洋和河流。作者指出，水传感器网络将超越确保安全的饮用水质量，但可能是生物学家寻求监测温度，流量特点，和水区化学环境的一个工具。在19提出的称为“聪明的海岸”的WSN。这是一个无线传感器网络的水质监测。该系统可用于参数的研究，如温度，磷酸盐，溶解氧，PH值，电导率，水浊度和水位，它允许数据为互联网远程用户实时传输。本系统也可用于污染物在地图上的空间和时间分布并且可能有助于确定可能的污染源。4无线传感器网络的性能优势本文意在使用11中提出的在监测的地下水和地表水时使用的廉价的传感器节点。在这一节，论述了一些无线传感器网络的特性，使他们的理想替代赞比亚现行水质监测方法。本文还着重一些已完成改善这些性能的研究工作。A成本和大小单个传感器节点的成本取决于应用而且在20中提到价格范围可以从数百美元（网络非常一般，但节点强大）到几美分（非常简单的节点组成的大型网络）。传感器节点的成本应是负担得起的，即使是最穷的贫穷国家实施中的无线传感网络水质监测。同样，传感器节点的大小取决于需要应用；他们的大小从鞋盒大小到显微镜下的小颗粒21。获得充分的地表和地下的水监测规模，样本数据需要从许多不同的地方收集，这需要一个大量的传感装置。无线传感器网络使用廉价和小型传感器满足这一要求。B容错在一个的无线传感器网络中，容错是最重要问题之一。由于能源消耗，硬件故障，通信链路错误，恶意攻击，等等，传感器节点是脆弱的和容易崩溃的，根据22容错能力的一个系统执行接近最优的断层的存在。按照23，无线传感器网路中容错性可能存在的四个层次，硬件，软件层，网络通信层，和应用层。只要提及水质监测，这是非常重要的，因为在河流和溪流会发生许多的活动，如捕鱼，会干扰传感器。容错性也受到了很多关注，经过许多研究人员努力可使系统几乎完全无懈可击。例如，在24研究中提出的安置我们所知的强大、昂贵的中继节点（RNs），这些节点能够在普通节点出现一些故障的情况下，和普通的传感器节点及其他中继节点沟通，从而延长整个个网络的生命时间。C生命时间无线传感器网络寿命是指网络能够执行传感功能和数据传输到接收器25时间。根据不同的应用传感器网络生命时间的范围可以从数小时到数年21。由于水质监测是一个终身的活动，一种可以工作数年的无线传感器网络会节省很多。网络的生命期在很大程度上取决于单个节点包含的能量。这在另一个领域已经引起了研究人员很大的兴趣而且提出了一些能源效率算法26-32。研究人员说最常见的方法很多，其中一个是聚类传感器节点，减少传输数据的节点的数目，因为传输比传感需要更多的能量。以这样的方式，在集群每一组有一个负责从其他节点接收数据的簇头，然后发送数据到其他群集头（等级）或直接到汇聚节点或基站（单水平）。D发展物理环境中传感器节点可以随机放置或放置在选定的采样点。部署传感器可以是一次性的活动或一个持续的过程，更多的是在使用网络的任何时间部署节点33。传感器节点是相当便宜和小规模的，可以部署在密集的网络，这可以允许监测地下水和地表水所有可能的地方。传感器节点也可以部署在的研究领域内或非常接近的地方，从而有可能在最快的时间感觉到环境中任何可能发生的变化的34。这种快速和灵活的无线传感器网络中传感器部署可以利用于，在一些如果使用其他方法否则很难成功检测地表水的地区。研究人员已出色地处理了节点部署的挑战和解决方案，例如，作者35提出了在一些节点无法运作或在某些没有节点的领域使用移动节点进行搬迁或移动。E覆盖无线传感器网路覆盖反映在如何很好的通过各传感器节点监测区域或是传感器节点的覆盖程度的测量36。覆盖无论是稀疏或密集，密集覆盖的传感器节点几乎部署在每一个利益的地区，已经有一些关于使用稀疏部署的传感器节点提高覆盖网络的研究。作者37提出了所谓的最佳多项式时间算法。该算法利用图论和计算几何结构解决的最佳和最差的箱覆盖问题。作者38提出被他们称为一个完全本地化的算法。它工作方式是每个传感器节点根据自身位置与周边信息交流作出决定。第一次信息交换是一个简单的类似“你好”的消息。这信息收集所有特定的节点的相邻节点的位置。然后，每个节点计算其自身的继电器，它将这最远的邻居作为第一个节点，然后从所谓已选定继电器的isobary中心最远加入邻居，直到覆盖的面积邻居节点是完全覆盖。第二个消息是向该继电器的邻居广播。作者39提出了一个所谓的覆盖配置协议（CCP）。根据作者知，这个协议可以根据覆盖范围要求的可行度提供不同的应用程序，动态配置网络。作者说，这种灵活性使无线传感器网络有着在不同的或改变覆盖需求范围广泛的应用和环境下自我配置的能力。F连接如果连接的节点之间总是有一网络，网络被认为是连接的21。源节点和目标节点的多跳路由的连接路线之间的缺失可能导致网络的分区。水质监测需要一个高连接确保持续的和可靠的把信息传送到基站的网络。解决这个连接问题的一些研究已经和正在进行。作者40提出了利用他们所称之为协同传输连接断开以前的部分网络，这将解决多跳网络造成的节点或节点间分离的问题。根据同一作者，以协同方式工作的这一组节点可以组合自己的发射功率达到一个更高的发射功率。通过这一较高发射功率，节点可以到达非常远的目的地，从而提高连接。作者41提出了一个算法，将动态配置网络以实现高度的连通性和覆盖范围。作者42提出的所谓的自适应配置传感器网络拓扑（ASCENT）。根据作者，自适应配置传感器网络拓扑是指在测量工作区基础上，每个节点达到的连通性和参与的多跳网络拓扑的评估适应性。G拓扑根据21作者可知网络拓扑是重要的性质，因为它影响网络的特点，如延迟，鲁棒性，和能力。数据路由和处理的复杂性也取决于拓扑。无线传感器网络节点可以在对方没有任何基础设施或传感器节点之间直接沟通与，或者传感器节点可以作为路由器代表其他节点将讯息多跳26。在多跳，一网络可以形成任意图，但往往覆盖一个简单的网络结构构造，如树型或星形21。为地下和地表水监测配置节点需要小心处理的拓扑维护，为此提出了许多算法来解决这个问题。作者43提出的所谓高适应性分布式路由算法。作者说该算法是分布式的节点将保持在关于相邻节点的信息。该算法假定所有路线无环路，并在任何需要一个路线的源节点与目的节点之间提供多种路线的对。作者还说，如果网络拓扑有任何变化，迅速重新建立有效的路由协议。由于失败的一个节点导致网络分区的一个事件，在给定的时间内这协议能够检测和删除所有分区扭曲的路线。H自愈自我疗愈是无线传感器网络一个最重要的特点。它是当一个或多个节点失败或与其他网络失去联系时网络自我修复的能力44。在高层次的活动导致节点高风险的失败表面水质监测中，一个传感器自我修复能力是非常理想的。许多研究人员提出连接失败后的理想的无线传感器网络自愈能力的协议。例如作者45提出了一个方法，为恢复损坏的路线基站记录失败节点。作者44参考IEEE802.15.4,ZigBee协议标准，它有一个内置的自愈性能的能力，指定断开的节点如何加入网络。I本地化大多数无线传感器网络，传感器节点通常部署到一个没有先验知识的位置的无计划的基础设施。传感器节点的估计位置的能力在传感器领域被称为定位46。此属性是很重要的，正如水质量监控是因为它来确保已知监测的数据的位置。已经被提出一个与定位有关的一些技术，他们大多取决于我们都知道的边/值47。作者46说明技术如下”提到传感器网络一种就是更复杂的有等级的组织网络与节点的上层，通过一些技术知道他们的位置（据说通过全球定位系统）。这些节点，然后作为信标的周期的传输它的位置信息。那些尚未推断位置的节点使用这些信标广播和低信息损失信标信息来计算自己的位置”。5结论水质监测是不断发展的新兴技术，就像得到了很多研究人员关注的无线传感器网络。本文立足于目前赞比亚使用的机械和离散水质测量方法，提出了利用无线传感器网络监测水质并着重于提高这项活动性能。致谢我要向普里西拉丁女士、赞比亚铜带大学环境工程系应届的学生和其他贡献者以及被我利用的当前赞比亚使用的监测水质量方法的信息表示感谢。参考文献1GNader,KTate,RAtwillandDDrake,“Waterqualitymonitoring,withintherangelandcommunity”unpublished.2ZambiaStatisticsOffice,LivingConditions,“Accesstosafewater(2006)”.zm/lcm.php#043Zambia,“Miningcompaniesaccusedofenvironmentalnegligence”/Report.aspx?ReportId=761444ZambiaDailyMail,July2008,.http:/www.daily-mail.co.zm/5MinistryofHealth/CentralBoardofHealth,“Roleofhealthsectorinwater,sanitationandhygieneeducation,2004”.zm6A.Howard,MMataric,G.SSukhatme,“Selfdeploymentalgorithmformobilesensornetworks”.AutonomousRobotsSpecialIssueonIntelligentEmbeddedSystems,vol.13no.2,pp.113126,2002.7MGrossglauser,D.N.CTse,“Mobilityincreasesthecapacityofadhocwirelessnetworks”.IEEETransactionsonNetworkingvol.10no.4,August2002.8Underwatersensornetworklab,/overview.html9TThompson,JFawell,Shoichi,Kunikane,DJackson,SAppleyard,PCallan,JBartramandPKingston“Chemicalsafetyofdrinking-water:assessingprioritiesforriskmanagement”,2007,WHO,geneva,Switzerland10F.W.Ntengwe,“Pollutantloadsandwaterqualityinstreamsofheavilypopulatedandindustrialisedtowns”PhysicsandChemistryoftheEarth,vol.31,no.16,pp.832-839,2006.11F.W.NtengweandK.K.Maseka,“Theimpactofeffluentscontainingzincandnickelmetalsonstreamandriverwaterbodies:thecaseofchambishiandmwambashistreamsinZambia”,PhysicsandChemistryoftheEarth,vol.31,no16,pp.814-820,2006.12MSankweandKambole,“ManagingthewaterqualityoftheKafueriver”PhysicsandChemistryoftheEarth,vol.28,no.20-27,pp.1105-1109,2003.13Naturalresourcesconservationserviceconservationpracticestandardmonitoringwell,/NHQ/practicestandards/standards/353.pdf14C.SRaghavendra,M.SKrishnaandZTaieb,“Wirelesssensornetworks”,KluwerAcademicPublishersNewYork,Boston,Dordrecht,London,Moscow,2004.15FZhang,“UnderwaterSensornetworksforwaterqualitymonitoringprojectprogressreport“unpublshed16NRamanathan,LBalzano,DEstrin,MHansen,THarmon,JJay,WKaiserandGSukhatme,“Designingwirelesssensornetworksasasharedresourceforsustainabledevelopment”ProcofInternationalConferenceonInformationandCommunicationTechnologiesandDevelopment,pp.256265,May2006.17TVoigt,FOsterlind,NFinne,NTsiftes,HZhitao,JEriksson,ADunkels,UBamstedt,JSchillerandKHjort,“Sensornetworkinginaquaticenvironments-experiencesandnewchallenges”Procof32ndIEEEConferenceonLocalComputerNetworks,pp.793-798,Oct.2007.18XYang,G.OKeat,RDWilliam,KZeng,SCasey,MungleandACGrimes,“Designofawirelesssensornetworkforlong-term,in-situ.MonitoringofanAqueousEnvironment”,Sensors,vol.2,no.11,pp.455-472,2002.19BOFlyrm,RMartinez,JCleary,CSlater,FReganandDDiamond,“SmartCoast:awirelesssensornetworkforwaterqualitymonitoring”,Procof32ndIEEEConferenceonLocalComputerNetworks,pp.815-816,Oct.2007.20PHarrop,Chairman,IDTechEx,“Wirelesssensornetworks2009-2019”,/article.mvc/Wireless-Sensor-Networks-2009-2019-0001?VNETCOOKIE=NO21KRmer,MFriedemann,Thedesignspaceofwirelesssensornetworks.IEEEWirelessCommunicationsvol.11no.6,pp.5460,Dec2004.22M.Demirbas,“Scalabledesignoffault-toleranceforwirelesssensornetworks,”PhDDissertation,TheOhioStateUniversity,2004.23HLiu,ANayak1andIStojmenovi,“Faulttolerantalgorithms/protocolsinwirelesssensornetworks”InGuiedetowirelesssensornetworks,SMisra,IWoungang,S,CMisra,Springer2009,pp.269-29524WZhang,GXueandSMisra,“Fault-tolerantrelaynodeplacementinwirelesssensornetworks:problemsandalgorithms”Procof26thIEEEInternationalConferenceonComputerCommunications,pp.1649-1657,May2007.25MCardeiandJieWu,“Energy-efficientcoverageproblemsinwirelessad-hocsensornetworks”,ComputerCommunicationsvol.29,no.4,pp.413-420,February2006.26WLiandLShen,“Energyconservationinlarge-scalesensornetworksthroughwakeupmechanismandclusteringaggregation”,ProcofInternationalConferenceonWirelessCommunications,NetworkingandMobileComputing,pp.2679-2683,Sept2007.27W.Ke,P.Basu,S.AbuAyyash,andT.D.C,“Attributebasedhierarchicalclusteringinwirelesssensornetworks”.unpublished28SBandyopadhyayandEJ.Coyle,“AnEnergyEfficientHierarchicalClusteringAlgorithmforWirelessSensorNet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