基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究

張江洪　程輝

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種全新的信息獲取和智能處理技術(shù)，集成了傳感器、嵌入式、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注，已在多種行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本文將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)，提高了對(duì)環(huán)境監(jiān)控的能力，本文主要提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境保護(hù)；監(jiān)測(cè)平臺(tái)

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境問題已嚴(yán)重影響了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。特別是長(zhǎng)期以來(lái)粗放型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，使環(huán)境遭到很大破壞，已經(jīng)影響到人類健康。物聯(lián)網(wǎng)是把傳感器嵌入或置入建筑、電網(wǎng)、橋梁、大壩、工廠等需要監(jiān)測(cè)的物體中，傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，達(dá)到監(jiān)測(cè)人員、監(jiān)測(cè)中心對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施有效的監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的智能化采集、傳輸和處理，達(dá)到“智能化”的狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的連結(jié)，提高資源利用率、勞動(dòng)效率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然的關(guān)系。

1 物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

環(huán)境監(jiān)測(cè)是物聯(lián)網(wǎng)最先應(yīng)用的領(lǐng)域之一，物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、大氣檢測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)、降水監(jiān)測(cè)、土壤監(jiān)測(cè)、電磁輻射監(jiān)測(cè)、排污監(jiān)控、森林植被防護(hù)等。

1）大氣監(jiān)測(cè)：把在線監(jiān)測(cè)儀器、有毒或有害氣體傳感器布置在污染源、人群密集或敏感地區(qū)。當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)大氣發(fā)生異常變化時(shí)，傳感器將通過傳感節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至傳感網(wǎng)，最后交給應(yīng)用層程序進(jìn)行處理，應(yīng)用層程序會(huì)根據(jù)事先制定的事故應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行處理。

2）水質(zhì)監(jiān)測(cè)：水質(zhì)監(jiān)測(cè)包括飲用水監(jiān)測(cè)和水污染監(jiān)測(cè)。飲用水監(jiān)測(cè)在水源安裝傳感器、攝像頭等設(shè)備，將水質(zhì)的PH、SO2、鋁等指標(biāo)值實(shí)時(shí)上傳到水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)飲用水的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。水污染監(jiān)測(cè)是在污水排放單位安裝污水自動(dòng)分析儀器和攝像頭，對(duì)污水的 CODcr、TOC、NH3-N、流量等指標(biāo)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將污染信息發(fā)送到排污單位、監(jiān)測(cè)中心，對(duì)污染事故做出及時(shí)有效的處理，防止重大污染事故的出現(xiàn)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)挖掘

監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)指標(biāo)的大量增加，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)海量級(jí)趨勢(shì)。用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理方法處理海量級(jí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其效率較低且不能有效給出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染等級(jí)和量化評(píng)價(jià)等信息。利用聚類分析和預(yù)測(cè)方法，可有效處理環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)是對(duì)空氣質(zhì)量、水質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是海量級(jí)的。發(fā)現(xiàn)隱藏在其中的關(guān)鍵信息，僅靠人工發(fā)現(xiàn)是困難且不現(xiàn)實(shí)的，因此必須使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，相關(guān)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可對(duì)環(huán)境污染做出預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供智能化處理，給環(huán)境的防治工作提供有效幫助。本文從以下幾個(gè)方面研究環(huán)境數(shù)據(jù)的挖掘。

1）環(huán)境監(jiān)測(cè)聚類分析：根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染物指標(biāo)值，利用聚類算法對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聚類。同一類中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染情況基本相似。這樣容易區(qū)分哪些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染程度較小，哪些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染程度較大。經(jīng)過聚類后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)被劃分到不同的類，以類為單位評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可有效降低數(shù)據(jù)計(jì)算量。

2）環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)：根據(jù)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)或空氣質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，然后在 GIS 地圖上標(biāo)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染級(jí)別，這樣更能直觀反應(yīng)環(huán)境污染情況。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，對(duì)它們分別評(píng)價(jià)，會(huì)產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，因此需要計(jì)算出每個(gè)聚類中心，然后對(duì)聚類中心進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3）環(huán)境預(yù)測(cè)：監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)保存大量的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，可以挖掘出污染數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的情況，以便掌握污染情況的變化趨勢(shì)，提前做好防止污染措施。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)系統(tǒng)體系架構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)其中的關(guān)鍵模塊。環(huán)境視頻監(jiān)控模塊利用視頻技術(shù)，可視化監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況。地理信息系統(tǒng)模塊利用 GIS 技術(shù)，以空間形式存儲(chǔ)、管理監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息及顯示報(bào)警、預(yù)警和評(píng)價(jià)信息。SMS 短信模塊利用 SMS 技術(shù)，以短信方式報(bào)告環(huán)境污染信息。環(huán)境預(yù)報(bào)警模塊利用聚類分析和預(yù)測(cè)模型，評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量狀況和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

1）系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)分兩個(gè)子系統(tǒng)：現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)上，接收現(xiàn)場(chǎng)儀器采集的數(shù)據(jù)，處理和打包數(shù)據(jù)，然后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，其分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設(shè)置和控制四個(gè)功能模塊。

2）環(huán)境視頻監(jiān)控：環(huán)境視頻監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的可視化監(jiān)控。該模塊基于科達(dá)視頻 CU 二次開發(fā)，從很大程度上降低開發(fā)的難度，提高開發(fā)的速度。其主要功能有：視頻瀏覽，圖像抓拍、視頻錄像、錄像回放、錄像查詢、云鏡控制和前端參數(shù)設(shè)置等，

3）地理信息系統(tǒng)：地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間管理。在地理信息系統(tǒng)中顯示報(bào)警和預(yù)警的信息，使監(jiān)測(cè)人員能及時(shí)掌握環(huán)境污染的情況、環(huán)境污染的發(fā)生地等信息，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供高效、直觀、方便的服務(wù)。

4）SMS 短信：利用 SMS（Short Message Service）短信實(shí)現(xiàn)以短信方式將污染超標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基本信息、超標(biāo)物質(zhì)、超標(biāo)數(shù)值等發(fā)送給監(jiān)測(cè)人員，使監(jiān)測(cè)人員即使不在監(jiān)控中心，也能及時(shí)掌握環(huán)境污染信息。SMS 短信技術(shù)為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供新的監(jiān)控手段，提高對(duì)突發(fā)事件的處理能力和效率。SMS 是一種存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，通過 SMS 中心進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。SMS 群發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)在銀行短信服務(wù)、零售行業(yè)短信、人才類短信、證券類短信、電力等行業(yè)得到應(yīng)用。

5）數(shù)據(jù)傳輸：本系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)采用 TCP 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。如果通信雙方采用 TCP 連接，監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸模塊工作過程是：?jiǎn)?dòng) TCP 服務(wù)，監(jiān)聽是否有客戶端（現(xiàn)場(chǎng)機(jī)）的連接請(qǐng)求，如果發(fā)現(xiàn)有客戶端的連接請(qǐng)求，啟動(dòng)一個(gè)新線程與客戶端建立 Socket 連接。然后通過此連接，監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)和向客戶端發(fā)送監(jiān)控命令。

6）環(huán)境預(yù)報(bào)警：環(huán)境預(yù)報(bào)警模塊對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為應(yīng)急處理和領(lǐng)導(dǎo)決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，由報(bào)警模塊、預(yù)警模塊、評(píng)價(jià)模塊三個(gè)子模塊組成。報(bào)警模塊判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，使監(jiān)測(cè)人員能夠?qū)Νh(huán)境污染突發(fā)事件做出有效、及時(shí)處理。預(yù)警模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染指標(biāo)值的變化情況預(yù)測(cè)污染指標(biāo)值的發(fā)展趨勢(shì)，提前做好預(yù)警。評(píng)價(jià)模塊根據(jù)當(dāng)前污染指標(biāo)值，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境狀況做出評(píng)價(jià)。

4 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

基于以上研究和系統(tǒng)需求分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為監(jiān)測(cè)平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)，提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取、環(huán)境報(bào)警、預(yù)測(cè)預(yù)警、信息共享和應(yīng)急決策等。

1）系統(tǒng)需求分析：系統(tǒng)分兩個(gè)子系統(tǒng)即監(jiān)測(cè)平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)具有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表、實(shí)時(shí)報(bào)警、預(yù)測(cè)預(yù)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)、圖形顯示等功能?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、基本參數(shù)設(shè)置等功能。

2）系統(tǒng)主要處理流程：系統(tǒng)整體工作流程是：現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)前，判斷是否已與監(jiān)測(cè)平臺(tái)連接，如果已連接，可向監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)也可向現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送指令；否則，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)與監(jiān)測(cè)平臺(tái)建立 Socket 連接，進(jìn)行通信；監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流程是：接收現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，遠(yuǎn)程控制是監(jiān)測(cè)平臺(tái)向現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)送控制命令，控制現(xiàn)場(chǎng)采集儀器的工作狀態(tài)和模式，其流程是：監(jiān)測(cè)平臺(tái)選擇要控制的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)，向其發(fā)送控制命令，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)接收到命令后，分析和執(zhí)行命令；數(shù)據(jù)查詢流程是：用戶選擇或輸入數(shù)據(jù)查詢條件，提交查詢，查詢結(jié)果以報(bào)表或曲線圖的方式顯示給用戶；

3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)分析處理上傳的數(shù)據(jù)，判斷或預(yù)測(cè)污染指標(biāo)是否超標(biāo)，如果出現(xiàn)污染物超標(biāo)，則進(jìn)行報(bào)警或預(yù)警，同時(shí)通過 SMS 通知負(fù)責(zé)人，達(dá)到對(duì)環(huán)境突發(fā)事件有效、及時(shí)的處理。

4）系統(tǒng)總體框架：環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)安裝在環(huán)境監(jiān)測(cè)部門，通過傳輸線路與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)連接，接收現(xiàn)場(chǎng)機(jī)數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，并向現(xiàn)場(chǎng)機(jī)發(fā)出采集和控制指令。 現(xiàn)場(chǎng)機(jī)安裝在污染源排放現(xiàn)場(chǎng)或要監(jiān)測(cè)的地方，接收采集儀器的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)又稱現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，接收采集儀器發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，處理和打包數(shù)據(jù)，通過有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，把數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)系統(tǒng)按工作過程分為三部分：數(shù)據(jù)傳輸、現(xiàn)場(chǎng)控制、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。

5 總結(jié)與展望

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供有效的監(jiān)測(cè)手段。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)檢測(cè)對(duì)人類和環(huán)境有影響的各種物質(zhì)含量、排放量、環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和跟蹤環(huán)境質(zhì)量的變化，為環(huán)境管理、污染治理、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供基礎(chǔ)信息，為環(huán)境監(jiān)督、執(zhí)法提供可靠、有力證據(jù)。在企業(yè)排污口或?qū)Νh(huán)境分析有重要意義的位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，然后監(jiān)測(cè)中心對(duì)數(shù)據(jù)匯總、分析和處理，最后以不同形式呈現(xiàn)給監(jiān)測(cè)人員，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息自動(dòng)化、智能化管理，提高對(duì)環(huán)境污染事件監(jiān)測(cè)、報(bào)警、預(yù)警能力。無(wú)疑，基于物聯(lián)網(wǎng)研究環(huán)境監(jiān)測(cè)，將具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

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