基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

俞弦

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染已經(jīng)變成整個(gè)社會(huì)不可忽視的一個(gè)重要問(wèn)題，而如何對(duì)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)也是大家關(guān)注的重點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)之后的又一個(gè)信息技術(shù)革命，可全面應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。本文對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)中的應(yīng)用定位以及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并著重介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，提出促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)中發(fā)展的建議。

【關(guān)鍵字】物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)： X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）13-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.034

【Abstract】With the continuous development of the economy， environmental pollution has become an important issue that cannot be ignored in the entire society. How to effectively monitor environmental issues is also the focus of attention. As a further information technology revolution after the Internet， the Internet of Things can be fully applied to environmental monitoring. This article analyzes the application orientation and technical characteristics of Internet of things technology in the environmental monitoring industry， and focuses on the environment monitoring system based on Internet of things technology， and proposes the promotion of Internet of things development in the environmental monitoring industry.

【Key words】Internet of Things； Environmental monitoring； Application

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)重要性

伴隨現(xiàn)代社會(huì)科技和工業(yè)的高速發(fā)展，人們不可避免的在社會(huì)化生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。而環(huán)境質(zhì)量與人民群眾的生活密不可分，越來(lái)越嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境危機(jī)問(wèn)題嚴(yán)重在各個(gè)方面影響了人民的日常生活，該現(xiàn)象引起了人民的擔(dān)憂和反思，也越來(lái)越得到各國(guó)各級(jí)政府的重視。

環(huán)境問(wèn)題最明顯的表現(xiàn)形式為空氣污染，而空氣污染正是影響人體健康的一個(gè)主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)?？諝馕廴境潭鹊募又乜稍黾又酗L(fēng)、心臟病、肺癌以及慢性和急性呼吸道等疾病的患病幾率?？諝馕廴境潭仍礁?，人們的心血管和呼吸系統(tǒng)健康水平就越差，且不存在長(zhǎng)期或短期受污染的差異。空氣污染包括氣態(tài)和固態(tài)等多種成分。高濃度的微細(xì)顆粒物污染，易誘發(fā)心臟病和中風(fēng)死亡，以及呼吸系統(tǒng)疾病和癌癥等。所以，測(cè)量2.5微米或更小直徑微細(xì)顆粒物（PM2.5），被公認(rèn)是關(guān)于空氣污染帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)水平的最佳指標(biāo)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)，指的是人們借助先進(jìn)的技術(shù)手段和科學(xué)方法，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)影響和可能影響人類以及動(dòng)植物生存發(fā)展的環(huán)境質(zhì)量狀況、影響環(huán)境質(zhì)量的因素代表值進(jìn)行監(jiān)視性調(diào)查、測(cè)定，從而掌握、研究、確定和預(yù)測(cè)環(huán)境受污染、受破壞等質(zhì)量狀況及其變化趨勢(shì)的行為和過(guò)程。環(huán)境空氣污染檢測(cè)的對(duì)象主要包含顆粒物質(zhì)（PM）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）等指標(biāo)。通過(guò)對(duì)污染嚴(yán)重的環(huán)境中的大氣、土壤、生物、水資源等環(huán)境要素進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、規(guī)律的監(jiān)測(cè)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)的可控范疇內(nèi)，使用多種科學(xué)的方法對(duì)不同環(huán)境污染問(wèn)題進(jìn)行整理、預(yù)防、排查，并高效控制和根治已經(jīng)被污染的環(huán)境要素，按期跟進(jìn)，防止污染進(jìn)一步擴(kuò)散。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用定位

隨著生活水平的大幅度提高，人們?cè)絹?lái)越重視自己的身體健康，也加強(qiáng)了對(duì)生活環(huán)境的關(guān)注程度，尤其是一些對(duì)健康產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的氣體物質(zhì)，并逐步在實(shí)施有效的監(jiān)管和治理。隨著日益嚴(yán)重的大氣污染，環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)行業(yè)得到逐步發(fā)展，近年來(lái)，環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)普遍應(yīng)用并小有成效?，F(xiàn)在主流的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采集、傳輸和監(jiān)測(cè)指定的生活作業(yè)環(huán)境中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，比如有毒有害氣體，粉塵， PM2.5等，該系統(tǒng)可應(yīng)用于石油化工，工廠危化品倉(cāng)庫(kù)，學(xué)校，公園等環(huán)境。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可應(yīng)用于城市網(wǎng)格大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)園區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、特殊敏感場(chǎng)景環(huán)境檢測(cè)等多種智慧城市應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 城市網(wǎng)格大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

運(yùn)用現(xiàn)在普及程度最高，使用效果最佳的環(huán)保網(wǎng)格化監(jiān)控方法，對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)地區(qū)實(shí)行網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)，在不同位置、不同程度的污染源區(qū)域設(shè)置相對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，可以認(rèn)識(shí)全地區(qū)的污染情況，也可以能對(duì)各個(gè)局部污染進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)成全區(qū)范圍內(nèi)宏觀到微觀的全方位監(jiān)控，同時(shí)，運(yùn)用先進(jìn)的大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)技術(shù)，構(gòu)建專業(yè)的空氣質(zhì)量模型，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)按照空氣質(zhì)量變化的規(guī)律和趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)研究預(yù)測(cè)，對(duì)造成空氣污染的主要污染源進(jìn)行精確溯源，給從源頭上治理環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 工業(yè)園區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

可以在重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)附近設(shè)置終端傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境，尤其是污染排放指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還可以配合攝像頭，進(jìn)行自動(dòng)觸發(fā)攝像頭進(jìn)行照相取證，為后續(xù)執(zhí)法工作提供有力證據(jù)。

2.3 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)

針對(duì)人員密集的室內(nèi)場(chǎng)景，如：學(xué)校、地鐵、商場(chǎng)等場(chǎng)所，可放置室內(nèi)型終端傳感器。通過(guò)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的收集，可通過(guò)云端計(jì)算給出通風(fēng)、制冷、加熱、加濕等建議或機(jī)器指令，使用戶感知提升，能耗降低。

2.4 特殊敏感場(chǎng)景環(huán)境監(jiān)測(cè)

主要是在特殊敏感場(chǎng)景，例如 酒廠監(jiān)測(cè)溫濕度；地下管廊監(jiān)測(cè)氧含量，CO2等影響作業(yè)人員健康狀態(tài)的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行安全提示，保證生產(chǎn)安全。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的技術(shù)特點(diǎn)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，終端設(shè)備區(qū)別于傳統(tǒng)的氣體傳感器存在零點(diǎn)漂移與溫度漂移、精度差、范圍小等問(wèn)題，對(duì)城市環(huán)境中CO、O3、NO2、SO2氣體的監(jiān)測(cè)使用高精度電化學(xué)傳感器，零點(diǎn)漂移與溫度漂移幾乎為0，精度可達(dá)0.1ppm，對(duì)O3、NO2、SO2的測(cè)量范圍可達(dá)0～20ppm， 對(duì)CO的測(cè)量范圍可達(dá)0～1000ppm；

區(qū)別于傳統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量，對(duì)城市環(huán)境中風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量采用超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方案，具有無(wú)啟動(dòng)風(fēng)速，反應(yīng)速度快，量程廣、盲區(qū)小、線性度好、精度高和無(wú)機(jī)械磨損、易于安裝維護(hù)、不需校正等優(yōu)點(diǎn)；

區(qū)別于無(wú)法區(qū)分熱輻射與環(huán)境溫度的傳統(tǒng)的溫度測(cè)量傳感器，系統(tǒng)多使用的溫濕度傳感器可排除熱輻射干擾，只測(cè)量城市環(huán)境溫度，誤差不超過(guò)0.1℃；

對(duì)城市環(huán)境中PM2.5與PM10的檢測(cè)可采用高精度激光傳感器，PM2.5的測(cè)量精度可達(dá)0.3ug/m3，測(cè)量范圍可達(dá)0～500ug/m3， PM10的測(cè)量精度可達(dá)0.5ug/m3，測(cè)量范圍可達(dá)0～2000ug/m3。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括設(shè)備層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。

設(shè)備層通過(guò)新類型的傳感器的引入，擴(kuò)展終端設(shè)備的服務(wù)能力，滿足實(shí)際項(xiàng)目的各種需求。處于三層架構(gòu)中最底層的設(shè)備層，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的地基，具備物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心功能。作為物聯(lián)網(wǎng)的最基礎(chǔ)的一層，設(shè)備層起到非常重要的作用。設(shè)備層由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層構(gòu)成。

平臺(tái)層由數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)處理層（包括實(shí)時(shí)處理和離線處理）、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、監(jiān)控報(bào)警服務(wù)、平臺(tái)管理服務(wù)（設(shè)備管理、權(quán)限管理、統(tǒng)一認(rèn)證管理和日志管理）組成，功能統(tǒng)一，具有非常強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以通過(guò)新類型的網(wǎng)關(guān)的增加、開(kāi)發(fā)，從而接入新類型的終端；同一類型的網(wǎng)關(guān)也可以多實(shí)例部署，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分擔(dān)，多實(shí)例之間N+1模式備份，具有較好的容錯(cuò)性，保證對(duì)外服務(wù)的連續(xù)性。

應(yīng)用層主要是物聯(lián)網(wǎng)的各類應(yīng)用和第三方系統(tǒng)。應(yīng)用層不需要處理和分析數(shù)據(jù)，只是通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)層提供的查詢接口獲取到平臺(tái)層中已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)并在界面進(jìn)行展示。應(yīng)用層不僅提供設(shè)備管理、安全管理、日志管理、告警管理等平臺(tái)通用功能，還能根據(jù)項(xiàng)目的需要，進(jìn)行專業(yè)的功能實(shí)現(xiàn)，針對(duì)項(xiàng)目提供多種視圖的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和分析。

5 總結(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以引導(dǎo)城市設(shè)計(jì)，引導(dǎo)公共空間合理布局；可以對(duì)以PM2.5為主的污染物濃度的擴(kuò)散與分布特征進(jìn)行分析，進(jìn)而總結(jié)污染物擴(kuò)散的基本規(guī)律；可以促進(jìn)城市環(huán)境數(shù)據(jù)開(kāi)放化，輔助市民健康生活。

隨著信息化技術(shù)的大力推廣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始起步，但仍有很多關(guān)鍵技術(shù)在等待突破。物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)發(fā)展中是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，這需要整個(gè)社會(huì)的推動(dòng)，促進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)得到信息化，智能化的發(fā)展。

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