與物聯網相連環境監測系統研究

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摘要：現階段，物聯網技術在多個領域被廣泛應用。隨著環境形勢日益嚴峻，環境監測已成為當前物聯網技術應用的熱點領域。面向環境監測的物聯網與能夠高效收集數據、處理數據、傳遞數據的系統的結合體將會出現并將被大規模使用。為促進環境監測向更加自動化、智能化、網絡化的方向發展，本文提出了基于MQTT協議物聯網技術的環境監測信息化新思路。

關鍵詞：物聯網；環保監測；環境保護；云計算；智能監測；MQTT協議

引言:我國經濟取得了騰飛式的發展，在國際經濟舞臺上的影響力越來越大，但隨著經濟的發展，環境污染方面問題的解決也迫在眉睫。調查發現，目前我國環境監測方面的信息化程度仍偏低，各地區環保系統功能良莠不齊，導致各地收集到的相關測試數據遠不能滿足我國環境保護工作發展的需要，而數據不能在各部門之間及時共享的主要原因是業務溝通不及時、服務不對外開放[1]。隨著物聯網技術的迅速發展，逐漸滲入各行各業，得到了極為廣泛的應用，同時在環境監測方面也提供了大量的技術支持，為今后制定科學的環境監測措施提供了更加便利的條件，促進了環境監測的信息化發展。在環境監測中應用物聯網技術，能夠使檢測得到的數據更加實時、準確、動態，且這一過程將會在實現環境監測的自動化、智能化和網絡化后變得更加高效便捷，在一定程度上能夠推動環境管理升級。在新時代背景下，將計算機物聯網技術與環境監測進行有效聯合使其發揮出更大的優勢，是順應時代發展的必然趨勢，這將對環境監測行業的發展產生深遠影響[2]。環境監測的三種基礎技術分別為：傳感器技術、通信技術和計算機技術，能夠各自分別有效地完成各種數據信息的采集、傳輸以及儲存處理。近年來，傳感器憑借其很強的經濟性、穩定性，發展勢頭迅猛，而且在技術方面還具有很大的提升空間。國家工業技術和科技水平正在不斷地大踏步邁進，電子技術、通信技術經歷著日新月異的發展，新一代無線通信技術也在不斷地蓬勃發展并大范圍投入使用，我國的環境監測水平現在也已達到無線監測階段。而隨著移動互聯網技術逐漸成熟，也使得環境監測數據資料的即時采集和傳輸變得更加便捷、實時、準確。在當前高工業密度的現代化高速網絡社會，需要盡可能快地改革當前已有的網絡技術平臺，使其具有科學化、規范化、標準化的特點，以便對當前環境監測領域物聯網的相關技術、設備、系統進行部署、擴展和維護。各監測點實時數據可以通過物聯網進行獲取。監測設備通過基站上傳監測數據至云服務器，而云服務器的主要優點是可以對收集到的數據進行分析和判斷。下面就以基于物聯網的新型環保監測系統為研究對象，分析探討物聯網通信技術在環境數據智能監測和集成分析應用過程中的關鍵技術問題。

1空氣污染監測現存問題

1.1空氣污染監測管理方面現存問題

空氣中各類常規污染因子包括：可吸入顆粒物、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物。在監測空氣質量的過程中，檢測人員需要通過定時監測的方法來確定空氣中的各種污染因子，以對當前大氣質量標準有一定的了解和掌控[3]。然而，在當前環境監測質量管理[4]中仍存在如下兩大方面的問題：

（1）由于我國在環境科學技術工程監測領域和技術質量控制領域中缺乏相關手段，在實踐中環境監測經歷了長達數十年的艱苦摸索，最終才使得實驗室部分系統使用的相關技術手段和方法體系變得較為合理、完善、先進。然而，由于目前環境監測技術改革牽涉到的行業面極深廣，影響因素相對更加復雜，與當今其他仍快速運行的現場監測和不斷深入擴展的各監測領域相比，質量控制管理與制度的創新改革發展仍然存在不夠科學高效、快捷及時的短板，技術管理工作仍存在很多工作漏洞，影響了現場監測數據的準確性。與近年來我國對環境管理的法律法規的細化和監測技術的發展相比，在環境監測標準、技術規范和質控技術的發展方面都能發現明顯的滯后，技術標準體系依然不夠完備，制約著當前我國環境監測技術等各項工作業務的進一步有效開展。

（2）信息化應用程度不高。在我國這個信息建設的大時代，計算機相應的信息化管理技術和互聯網技術日新月異，但把信息化建設平臺較快速成熟地應用到空氣質量管理工作中的情況卻不是特別多。在進行環境質量監測工作時，因為技術不完善導致數據采集效率和準確度低，技術人員數據分析任務量大等問題使空氣質量監測工作效率不夠高、反饋問題不夠及時，信息技術和計算機技術在環境質量分析和預警方面的應用仍有待發展。

1.2其他導致空氣污染監測問題的因素

中國地理形勢較國外而言更為復雜，空氣污染監測點位的定點布設首先要全面考慮到地理位置、地理環境條件與氣候地勢特征等多重因素，南北方區域地形地貌的重大差異使得空氣中污染范圍、污染物分布擴散規律存在著等級層次的差別。人口密集程度對于空氣污染的監測也有一定程度的影響，各地人口密度分布不均，空氣污染監測點數量在人口密度大的區域和人口密度較低的地區存在一定差異。系統自動化程度仍然處于低水平狀態，我國現階段的環保監測系統的功能方面依然很薄弱，沒有與當前階段迅速發展的人工智能等技術緊密聯系，收集到的數據仍需要耗費大量人力資源認真處理。從測控技術角度看，我國原有的一些環境監測儀器采集數據的誤差大，引入計算機自動測量技術后測量實時性也并未明顯提高，這些儀器的感知功能仍有一定的局限性，無法監測各種環境下的數據，在一些特殊或復雜的情況下不能發揮該儀器的特定作用。與此同時，測控的進行還受諸多因素的影響，例如溫度會影響儀器的記錄結果，不能確保數據的準確性；不僅如此，環境污染物種類對測控也會產生一定影響，以前的未知環境污染物在現階段隨著科技的不斷發展越來越多地被發現，而儀器的感知功能單一，很難針對空氣質量提供建設性的整改意見。

2系統核心技術

2.1物聯網技術

物聯網可以利用網絡來進行傳輸互聯，通俗來說就是物物相連的網絡，它能夠對物理世界進行感知識別，進行計算、處理和知識挖掘，進而對物理世界進行控制、管理和決策。采用視頻感知、RFID技術以及生物、聲學、光學、化學等方面的傳感器采集信息，并通過可靠傳輸到達信息處理中心實現萬物之間的信息交互和無縫連接，達到感知萬物的最終目的?？蓪⒋钶d此技術的基站覆蓋全國范圍內的空氣監測最佳區域，將其建立在互聯網上，利用傳感器、射頻識別等作為感知元件實現獲取、分析和報告全國范圍內空氣質量變化情況，建立全國范圍內的環境實時監測平臺。在本系統中，物聯網架構的最底層為感知層，由各種在線檢測儀器、空氣質量傳感器、傳感器網絡等組成，用于識別物體、采集信息[5]。在實際監測收集相關數據的過程中，被監測區域內散布著大量的傳感器節點，需要將“點”轉化為“面”，使測量數據更加全面。網絡層處于整體架構的中間層，在感知層和應用層之間起到傳遞的作用，可以將收集到的數據高效率地輸送到云計算數據中心，針對用戶需求而設置的應用層則位于物聯網架構的最頂層，是物聯網和用戶的接口，物聯網的各個智能應用都受其支配。

2.2傳感器技術

從目前來看，傳感器產業已被國內外研究人員高度關注，其擁有高技巧性、高滲透力、高市場涉及度、高經濟效益等眾多特點，是具有良好發展前景的新一代高技術產業。傳感器以及能夠檢測、處理數據并聯網的執行元件共同構成了一個最基本的傳感器系統。整個信息系統結構的最前端設置為傳感器，其硬件性能指標越好、傳輸與輸出數據信息越可靠，測量結果越準確，測量系統整體在運行時工作狀態越好[6]。環境檢測系統可設定溫濕度、CO2濃度與光照多個技術參數，為此就要配備適宜的傳感裝置，完成終端信息采集，并且考慮到系統運轉性能的問題，應當保障傳感裝置的信息采集精度與動作效率。傳感器網絡不采用傳統的互聯網，一般情況下，傳感器的網絡鏈路層應用IEEE80.15.4，而網絡層則應用UDP/ICMP，應用層采用ZigBee，因為這一無線網絡標準相比其他網絡標準而言擁有更低能效、更低功率、更加可靠的優點。傳感裝置節點的耗能模塊有無線通信以及處理器等。一般情況下，傳感裝置節點把1bit數據傳送到距離自身100m的地方，會消耗掉如同實施3000條計算指令時的能量，所以與通信需要的能量比較，傳感裝置采集數據時消耗的能量極少[7]。

2.3嵌入式系統

嵌入式微處理器、嵌入式操作系統、外圍硬件設備以及用戶的應用程序等組成了嵌入式系統。嵌入式系統顧名思義就是完全嵌入受控器件內部的專用計算機系統，有以應用為中心、軟硬件可裁剪的特點[8]。嵌入式系統可以實現對其他設備的監視（Monitor）、控制（Control）及管理（Management）等功能。本系統實現重點區域的SO、NOX、CO、PM10、粉塵濃度、風速等各類環境數據的監測是通過MQTT協議[9]、JAVA技術以及MySQL數據庫等技術的功能和特點來完成的，同時需要完成的任務還有現場情況的采集、整理、分析工作。本系統選擇433MHz無線信號將終端節點和主機連接起來，支持實時通信。通過對相關方面的探究，建議選擇RF集成芯片，即CC1101，其運行功耗極少，且不足1GHz的射頻發射裝置，應用性能較佳，能完成數據包處理、獲取信號強弱數據、信道性能評估、數據緩沖與鏈路品質指示等。

2.4硬件與軟件設計

在軟件技術方面，本環境監測系統為基于互聯網的信息系統，主要采用現已在業界內被廣泛關注的三層式（3-tier）架構來進行設計開發。在考慮松耦合和高類聚等功能特點的情況下，由用戶界面層、數據處理層、數據提取層這三個系統功能層次組成了整個系統的主要架構。各個系統功能層次既能獨立實現自己的主要功能，又能在完成系統最主要功能的同時在系統之間建立聯系。用戶界面層是監測人員接收監控數據的重要平臺之一，囊括整個系統數據的顯示播放等交互功能，且可以為特定的用戶群體提供特定的服務。數據處理層是系統的中樞神經，其關鍵性技術在于識讀器傳感網絡，必須具備靈敏度高、能耗低的優點。數據提取層在本物聯網系統中起著不可忽視的作用，其擔負著信息傳輸的作用，主要負責處理各類數據之間的來源問題，與此同時，可以讓不同區域不同環境下的空氣監測數據進行互通，意義重大。在硬件技術方面，本系統中的所有硬件設備均可通過網絡與系統后臺的控制中心相連，最終連接到各個前置機。硬件結構的組成包含三個主要環節：感知、傳輸和處理。首先感知環節包含傳感器的部署、數據收集和處理技術。本系統所設立的基站均應用GSM協議與前置機通信，并通過網絡將收集到的數據進行簡單處理后發回到系統后臺的處理中心。在主機外圍還增加一定數量的外圍設備，具體包括：串行FLASH，其可保存系統啟動代碼以及部分界面圖像；UART的調試模塊，負責系統用戶測試和交互通信。通過完善系統外圍接口，提高檢測系統運行及使用的靈活度，豐富接口數量。其次在傳輸階段，需要利用基礎核心網絡技術，本地監控系統以LSC服務器為核心，與遠端服務器進行交換需通過TCP\IT完成，以此實現數據的高效傳輸。最后在處理階段，需要面對數據量紛亂且復雜的問題，提高操作人員的數據處理能力已然成為當前首要解決的問題；另一方面高效的數據計算處理分析平臺也應被合理應用，以提高數據綜合分析的效率，本系統將應用云計算來處理數據。

3實際社會意義

環境污染問題關系著人類健康的同時也關系著社會的穩定。近年來，我國的大氣環境質量問題受到了社會各界的重視，有關PM2.5的污染問題成為了社會熱點。PM2.5的濃度監測及數據分析都離不開環境監測設備，而數據能夠及時有效地被處理也是公布和預測污染物濃度的關鍵。環境監測系統是一種動態系統，由監測對象和監測手段兩部分組成，采用定性定量的系統分析以及各種方法、技術對環境中的組成成分及污染物進行檢測和監控。以環境為對象，旨在掌握其內在變化規律，將其作為環境保護的基本信息來源。環境監測系統能準確全面地反映環境質量的信息和污染問題發展趨勢，通過環境監測獲得的數據可切實可行地為環境管理、環境規劃、污染防治和制定相應的環境監察制度提供依據，環境監測所獲得的信息還可為污染物排放標準規定和環境法制定提供一定的依據，是環境保護工作的關鍵。全球物聯網在環保產業上的應用仍處于初步發展階段，隨著技術的發展以及各國對環保產業的重視，已漸漸形成初步格局。本文的大氣監測設備應用傳感器技術、嵌入式技術和計算機技術等高端技術進行有關大氣污染物質的相關檢測工作，采集了二氧化碳、PM10等污染物濃度以及粉塵濃度在大氣中的數值變化，得到并分析了相關地區大氣污染的狀況，可為環境規劃決策、環境指標考核和環境工程驗收服務等環保工作提供相應的科學數據或發揮監督的職能。

4結語

環境科學家曲格平說過一句話：“唯有變革才能拯救人類的命運，也唯有變革，才能使我們的子孫后代世世代代生存下去。”里面的“變革”就是指環保。有效管理環境數據，實時分析環境變化，已成為當前環境監測過程中的首要任務。在科技領域，有關環境檢測的科學技術手段和設備的發展與發明取得了長足的進步。本文的監測設備利用新的科學技術手段為大氣環境質量監測工作提供了堅實的保障，有效提高了環境監測數據采集的及時性、準確性、有效性，通過系統全面地提供相關環境信息數據，可幫助提升有關環保部門的工作效率，為大氣環境監測事業的發展和環保事業做出了不可忽視的貢獻。持續長效地發展面向環境保護的物聯網，是一項惠國惠民的工程，這對我國環境監測和治理必將產生遠大的正面影響[10]。

參考文獻

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作者:趙一瑾單位:河北科技大學澳聯大信息工程學院