基于云計算與物聯(lián)網(wǎng)的污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

任偉

摘要：針對當(dāng)前污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)存在的諸多問題，提出了將云計算與物聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合的總體架構(gòu)思想，并在此基礎(chǔ)上對污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計，以期對改善污染源在線監(jiān)控的手段、方法，提高污染物監(jiān)測的實時性、智能性提供參考。

關(guān)鍵詞：云計算；物聯(lián)網(wǎng)；污染源；在線監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0038-03

在城市化進(jìn)程日益加快的背景下，環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻。我國“十二五”規(guī)劃中明確制定了COD、氨氮、二氧化硫、氮氧化物等污染物排放的約束指標(biāo)。作為環(huán)境管理的重要手段，污染源監(jiān)控系統(tǒng)的信息化建設(shè)，已成為政府和社會的共識。因此，深入研究污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)，是充分落實我國保護(hù)環(huán)境相關(guān)政策的重要舉措，對節(jié)能減排有重要的現(xiàn)實意義。

我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初期階段，還存在一系列問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①技術(shù)支持。在環(huán)保領(lǐng)域運(yùn)用的技術(shù)起步晚，更新慢，目前尚無可用的預(yù)測模型； ②監(jiān)控儀器設(shè)備。市場上在線監(jiān)控設(shè)備參差不齊，很多產(chǎn)品功能單一、安全可靠性不高，售后無法保證，甚至?xí)霈F(xiàn)在線監(jiān)控參數(shù)和范圍無法滿足市場實際需要的情況；③應(yīng)用平臺。目前應(yīng)用平臺大多服務(wù)單一，只具備接收、查詢、錄入及用戶管理等簡單化功能，且重復(fù)建設(shè)、信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，缺乏整體規(guī)劃；④人才培養(yǎng)。我國從事環(huán)保行業(yè)工作的大多數(shù)人，尤其是運(yùn)維人員專業(yè)技術(shù)水平不夠，無法從上位層面理解物聯(lián)網(wǎng)及其他新技術(shù)對環(huán)保領(lǐng)域起到的作用和影響，致使工作效率和質(zhì)量大幅度下降。

1 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)融合

當(dāng)前， 我國環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入全面建設(shè)階段，大多城市化工園區(qū)已經(jīng)安裝了在線監(jiān)控系統(tǒng)，收集污染源排放口相關(guān)信息，借助有線或無線的方式將污染物排放數(shù)據(jù)實時傳送至監(jiān)控中心平臺，環(huán)保中心人員可以根據(jù)排放量實行總量控制。然而，環(huán)境監(jiān)測本身是一項持續(xù)進(jìn)行并且復(fù)雜多變的工作，隨著監(jiān)測范圍的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)量的持續(xù)增加，勢必對環(huán)保監(jiān)測中心服務(wù)器的計算功能和儲存功能提出更高要求。

云計算將一個任務(wù)劃分成若干環(huán)節(jié)，保證各個環(huán)節(jié)處理工作有效展開，具有大規(guī)模使用、通用性強(qiáng)、廉價、可擴(kuò)展等特點(diǎn)。將云計算與環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)有效結(jié)合，以網(wǎng)絡(luò)虛擬存儲計算服務(wù)為中心，將資源按需分配給不同用戶，各級環(huán)保管理部門，可以直接使用中心數(shù)據(jù)，不需要額外增加系統(tǒng)硬件設(shè)備，也無需考慮后期的更新?lián)Q代，資成本低、計算儲存能力強(qiáng)，可大大提高數(shù)據(jù)信息處理速度。以云為中心的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)改變了傳統(tǒng)以桌面系統(tǒng)為中心的應(yīng)用模式，將網(wǎng)絡(luò)資源合理利用，可以解決環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的局限性及成本高問題，從而促進(jìn)環(huán)境管理工作的健康運(yùn)行。

2 污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

將環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)有效融合，在監(jiān)測點(diǎn)安裝監(jiān)測儀、攝像頭等感知設(shè)備，收集污染物排放信息，利用各種傳感器，通過通信網(wǎng)絡(luò)將實時數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心。利用云計算技術(shù)強(qiáng)大的處理能力，將海量數(shù)據(jù)的存儲和處理放置在數(shù)據(jù)中心不同的服務(wù)器上，政府環(huán)保部門、企業(yè)或社會機(jī)構(gòu)、社會公眾等用戶可以通過“云”的方式輕松獲取所需資源?；谖锫?lián)網(wǎng)與云計算的污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)主要由感知層、傳輸層、支撐層、應(yīng)用層、用戶層五部分組成。

2.1 感知層

感知層在物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)框架中處于最底層，由各種傳感器、視頻采集器、衛(wèi)星定位器等組成，這些監(jiān)測設(shè)備可以對周圍環(huán)境質(zhì)量和污染信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集，并傳輸出去。目前，主要通過在污染源設(shè)置代表性監(jiān)測點(diǎn)來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，或者對污染源某一種污染因子進(jìn)行監(jiān)測，還不能完全反應(yīng)環(huán)境的實際狀況和狀態(tài)變化。因此，可以在監(jiān)測區(qū)域散布傳感節(jié)點(diǎn)，形成監(jiān)測“域”（面），為環(huán)境管理的智能決策提供更可靠的數(shù)據(jù)信息。

2.2 傳輸層

由環(huán)保專網(wǎng)、通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、私有網(wǎng)絡(luò)等組成，主要負(fù)責(zé)將環(huán)境信息傳遞給相關(guān)部門。感知層中的傳感器、視頻采集、衛(wèi)星定位等設(shè)備通過有線或無線的方式接入網(wǎng)絡(luò)，將采集到的信息，通過特定的傳輸協(xié)議傳遞出去。因此，傳輸層是連接感知層和上層應(yīng)用的橋梁，是將數(shù)據(jù)傳遞到“云”中心的通道。

2.3 支撐層

包括IT基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一支撐平臺，在基礎(chǔ)設(shè)施的支持下，依托數(shù)據(jù)編碼、物聯(lián)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息接入、信息目錄等軟件服務(wù)，實現(xiàn)在線監(jiān)控、預(yù)測預(yù)警、智能分析、模擬仿真、智能控制等共性應(yīng)用功能共享。

2.4 應(yīng)用層

又包含環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)門戶和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，門戶是指為環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)各類用戶提供資源入口和所需服務(wù)的交互界面，而應(yīng)用系統(tǒng)則涉及環(huán)境風(fēng)險應(yīng)急處理、綜合管理服務(wù)、污染源監(jiān)測及環(huán)境質(zhì)量檢測等。

2.5 用戶層

是指環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所面向的最終用戶，其中會涉及環(huán)保管理、研究及監(jiān)測等相關(guān)部門，也包括污染物排放企業(yè)、社會公眾等用戶。系統(tǒng)用戶無需在本地安裝軟件，云平臺為用戶提供統(tǒng)一入口以及數(shù)據(jù)分析、處理、存儲、利用等職能。

3 業(yè)務(wù)流程

基于云計算與物聯(lián)網(wǎng)的污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

首先，將傳感設(shè)備合理安裝在監(jiān)管部門需要實時監(jiān)控的監(jiān)測位置，如廠企廢水、廢氣排放口、河流等，將多個傳感器與數(shù)據(jù)采集傳輸儀進(jìn)行連接，從而通過感知層將污染源在線監(jiān)控所獲取的實時數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺。

其次，部署云計算平臺。云系統(tǒng)借助強(qiáng)大的計算能力，實現(xiàn)環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)支撐層的在線監(jiān)控、預(yù)警推測、仿真模擬及智能監(jiān)控等功能，以便對不同用戶提供不同服務(wù)。同時，需要對污染源在線監(jiān)控平臺進(jìn)行Web服務(wù)器端設(shè)置，保證與云計算平臺的有效通信和實時數(shù)據(jù)的有效接收。

最后，對政府環(huán)保部門、社會機(jī)構(gòu)及人民群眾設(shè)置相應(yīng)Web門戶，進(jìn)而與云計算系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)運(yùn)算進(jìn)行有效銜接，為用戶提供各種服務(wù)。

4 污染源在線監(jiān)控平臺設(shè)計

4.1 總量控制系統(tǒng)設(shè)計

由企業(yè)端的總量控制裝置和環(huán)保部門的總量控制平臺兩部分組成，如圖3所示，總量控制平臺包括數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控平臺和通信程序，通信程序負(fù)責(zé)連接總量控制平臺和總量控制裝置，將總量控制裝置上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并保存在數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控平臺需要調(diào)用數(shù)據(jù)時，直接從數(shù)據(jù)庫中讀取。如果用戶需要向總量控制裝置下發(fā)命令，則在監(jiān)控平臺中執(zhí)行相關(guān)操作，由通信程序傳遞下發(fā)。

總量控制裝置由數(shù)據(jù)采集控制器和總量控制器組成?？偭靠刂破骺衫肦S232/485接口和儀器儀表建立直接通訊，以獲得真實可靠的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總儲存，通過網(wǎng)絡(luò)與總量控制平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)采集控制器負(fù)責(zé)對儀器儀表模擬信號進(jìn)行采集、計算，得出準(zhǔn)確實時數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)工作在感知層，由數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和自動監(jiān)控設(shè)備組成，其功能如圖4所示。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將自動監(jiān)控設(shè)備采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝，封裝形式要遵循《HJ/T212 污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》制定的通訊協(xié)議，進(jìn)而將封裝后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)。自動監(jiān)控設(shè)備是指流量計、COD、氨氮、VOCs監(jiān)測儀等。

硬件方面，按照《HJ477-2009 污染源在線監(jiān)控（監(jiān)測）數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求及檢測方法》和《HJ/T212 污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》的要求，性能安全、穩(wěn)定，在與前端在線監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行連接時，支持4路以上模擬數(shù)值輸入，在4-20毫安電流或1-5伏電壓范圍內(nèi)，開關(guān)量0-5伏輸入。5 路以上 RS232/485 數(shù)字量輸入。

軟件方面，主要使用嵌入式操作系統(tǒng) Windows CE，使用ActiveSync為調(diào)試工具。使用HJ/T212 通訊協(xié)議規(guī)定的污染源數(shù)據(jù)傳送格式。

4.3 無線傳輸模塊設(shè)計

由處理器芯片S3C6410核心的嵌入式開發(fā)板Tiny6410組合而成，其中包含豐富的硬件接口資源，便于充分滿足用戶觸屏需求；網(wǎng)絡(luò)接口可以實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的順利傳輸；DB9五線串口可以實現(xiàn)對數(shù)字量輸入及GPRS模塊的有效控制管理；SD卡容量的不斷拓展，數(shù)據(jù)資料的備份儲存等。五線通訊模塊主要采用GPRS無線通訊模塊，模塊采集采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)展開模擬采集，其二者均能與Tiny6410連接實現(xiàn)通訊目的。

4.4 云平臺構(gòu)建

本文基于試驗室環(huán)境下構(gòu)建了一個Hadoop云計算平臺，由三臺PC機(jī)組成，將所有主機(jī)連接到一臺交換機(jī)中，一臺作為 NameNode 和JobTracker，另外兩臺用作 DataNode 和 TaskTracker，三臺主機(jī)均安裝Linux操作系統(tǒng)。對云計算系統(tǒng)的應(yīng)用如圖5所示，用戶使用終端設(shè)備訪問 Web 服務(wù)器，Web服務(wù)器根據(jù)用戶請求給予相應(yīng)的交互和響應(yīng)。應(yīng)用服務(wù)器與 Hadoop 集群通訊，可以向云計算系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)讀寫等操作，同時，應(yīng)用服務(wù)器向Web服務(wù)器提供數(shù)據(jù)查詢、分析和處理結(jié)果。云計算系統(tǒng)作為存儲層以及數(shù)據(jù)挖掘?qū)訉φ麄€系統(tǒng)提供計算能力和存儲環(huán)境。

4.5 功能設(shè)計

污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集，將采集的數(shù)據(jù)分別存儲到云計算中心的廢水監(jiān)控、尾氣監(jiān)控、噪聲監(jiān)控、VOCs監(jiān)控等數(shù)據(jù)庫中，為應(yīng)用系統(tǒng)提供經(jīng)過加工、處理的數(shù)據(jù)資源。用戶可以通過平臺中的門戶入口，使用PC、手機(jī)、PAD等終端設(shè)備獲取服務(wù)資源，云平臺按需為用戶提供相應(yīng)服務(wù)。

污染源在線監(jiān)控平臺的總體功能框架如圖6所示。

1） 權(quán)限管理。負(fù)責(zé)系統(tǒng)中角色、用戶以及角色成員的維護(hù)。給不同的角色賦予不用的權(quán)限。

2） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。負(fù)責(zé)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)，包括流域、企業(yè)規(guī)模、排放規(guī)律、污染物編碼、污染源基本信息等。

3） 廢水監(jiān)控。負(fù)責(zé)對污染源的廢水排口進(jìn)行監(jiān)控，提供實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)圖表、視頻監(jiān)控等信息。

4） 尾氣監(jiān)控。負(fù)責(zé)對污染源的尾氣排口進(jìn)行監(jiān)控，提供實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)圖表、視頻監(jiān)控等信息。

5） VOCs監(jiān)控。負(fù)責(zé)對污染源VOCs的排放量和濃度進(jìn)行監(jiān)控，提供實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)圖表、視頻監(jiān)控等信息。

6） 噪聲監(jiān)控。負(fù)責(zé)對污染源的噪聲進(jìn)行監(jiān)控，提供實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)圖表、視頻監(jiān)控等信息。

7） 總量與泵閥聯(lián)動?？梢圆榭雌髽I(yè)月排放量、年實際排放量、年允許排放量、實際排放占比、閥門狀態(tài)、泵狀態(tài)、液位狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)圖表，企業(yè)排放口閥門狀態(tài)，支持遠(yuǎn)程控制閥門。

8） 運(yùn)維管理?？梢圆榭雌髽I(yè)排放口校調(diào)、巡檢和相關(guān)人員信息，可生成數(shù)據(jù)報表。

5 結(jié)論

本文所架構(gòu)的污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)，工作在感知層的各種環(huán)境傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸儀等能智能獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并實時傳輸至云計算平臺，在云平臺實施統(tǒng)一運(yùn)行、統(tǒng)一管理，按需給用戶提供各種服務(wù)，既節(jié)約了資源，又達(dá)到了方便高效的目的。

將云計算與物聯(lián)網(wǎng)有效融合，應(yīng)用到污染源監(jiān)控系統(tǒng)中，建設(shè)現(xiàn)代污染源監(jiān)控系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)對環(huán)境的全方位監(jiān)測，實現(xiàn)智能感知、智能決策，防患于未然，實現(xiàn)人與環(huán)境的和諧發(fā)展。該系統(tǒng)可用于水污染、大氣污染、噪聲污染、VOCs排放等方面的監(jiān)控，系統(tǒng)界面友好，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，安全性高，可以滿足廠企、環(huán)保管理部門、環(huán)保運(yùn)維人員的需求。

本文對云計算與物聯(lián)網(wǎng)支持下的污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了整體架構(gòu)，并詳細(xì)闡述了總量控制系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計、無線傳輸模塊設(shè)計、云平臺構(gòu)建、系統(tǒng)功能設(shè)計，對實現(xiàn)環(huán)境管理的系統(tǒng)化、科學(xué)化、信息化具有一定的現(xiàn)實意義，本系統(tǒng)也還有需要完善、加強(qiáng)的部分，比如，研究預(yù)測模型、豐富功能模塊、進(jìn)一步智能關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)等。污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究是一個循序漸進(jìn)的過程，希望本文能為環(huán)境管理信息化、智能化提供一定的參考。

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