與物聯(lián)網(wǎng)相連的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

趙一瑾

（河北科技大學 澳聯(lián)大信息工程學院，河北 石家莊 050000）

0 引 言

我國經(jīng)濟取得了騰飛式的發(fā)展，在國際經(jīng)濟舞臺上的影響力越來越大，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染方面問題的解決也迫在眉睫。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國環(huán)境監(jiān)測方面的信息化程度仍偏低，各地區(qū)環(huán)保系統(tǒng)功能良莠不齊，導致各地收集到的相關(guān)測試數(shù)據(jù)遠不能滿足我國環(huán)境保護工作發(fā)展的需要，而數(shù)據(jù)不能在各部門之間及時共享的主要原因是業(yè)務溝通不及時、服務不對外開放[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，逐漸滲入各行各業(yè)，得到了極為廣泛的應用，同時在環(huán)境監(jiān)測方面也提供了大量的技術(shù)支持，為今后制定科學的環(huán)境監(jiān)測措施提供了更加便利的條件，促進了環(huán)境監(jiān)測的信息化發(fā)展。在環(huán)境監(jiān)測中應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠使檢測得到的數(shù)據(jù)更加實時、準確、動態(tài)，且這一過程將會在實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的自動化、智能化和網(wǎng)絡化后變得更加高效便捷，在一定程度上能夠推動環(huán)境管理升級。在新時代背景下，將計算機物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測進行有效聯(lián)合使其發(fā)揮出更大的優(yōu)勢，是順應時代發(fā)展的必然趨勢，這將對環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響[2]。

環(huán)境監(jiān)測的三種基礎技術(shù)分別為：傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，能夠各自分別有效地完成各種數(shù)據(jù)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(jīng)濟性、穩(wěn)定性，發(fā)展勢頭迅猛，而且在技術(shù)方面還具有很大的提升空間。國家工業(yè)技術(shù)和科技水平正在不斷地大踏步邁進，電子技術(shù)、通信技術(shù)經(jīng)歷著日新月異的發(fā)展，新一代無線通信技術(shù)也在不斷地蓬勃發(fā)展并大范圍投入使用，我國的環(huán)境監(jiān)測水平現(xiàn)在也已達到無線監(jiān)測階段。而隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，也使得環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)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(yè)密度的現(xiàn)代化高速網(wǎng)絡社會，需要盡可能快地改革當前已有的網(wǎng)絡技術(shù)平臺，使其具有科學化、規(guī)范化、標準化的特點，以便對當前環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)、設備、系統(tǒng)進行部署、擴展和維護。各監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)可以通過物聯(lián)網(wǎng)進行獲取。監(jiān)測設備通過基站上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)至云服務器，而云服務器的主要優(yōu)點是可以對收集到的數(shù)據(jù)進行分析和判斷。下面就以基于物聯(lián)網(wǎng)的新型環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，分析探討物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在環(huán)境數(shù)據(jù)智能監(jiān)測和集成分析應用過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 空氣污染監(jiān)測現(xiàn)存問題

1.1 空氣污染監(jiān)測管理方面現(xiàn)存問題

空氣中各類常規(guī)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(jiān)測空氣質(zhì)量的過程中，檢測人員需要通過定時監(jiān)測的方法來確定空氣中的各種污染因子，以對當前大氣質(zhì)量標準有一定的了解和掌控[3]。

然而，在當前環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理[4]中仍存在如下兩大方面的問題：

（1）由于我國在環(huán)境科學技術(shù)工程監(jiān)測領(lǐng)域和技術(shù)質(zhì)量控制領(lǐng)域中缺乏相關(guān)手段，在實踐中環(huán)境監(jiān)測經(jīng)歷了長達數(shù)十年的艱苦摸索，最終才使得實驗室部分系統(tǒng)使用的相關(guān)技術(shù)手段和方法體系變得較為合理、完善、先進。然而，由于目前環(huán)境監(jiān)測技術(shù)改革牽涉到的行業(yè)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(xiàn)場監(jiān)測和不斷深入擴展的各監(jiān)測領(lǐng)域相比，質(zhì)量控制管理與制度的創(chuàng)新改革發(fā)展仍然存在不夠科學高效、快捷及時的短板，技術(shù)管理工作仍存在很多工作漏洞，影響了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。與近年來我國對環(huán)境管理的法律法規(guī)的細化和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展相比，在環(huán)境監(jiān)測標準、技術(shù)規(guī)范和質(zhì)控技術(shù)的發(fā)展方面都能發(fā)現(xiàn)明顯的滯后，技術(shù)標準體系依然不夠完備，制約著當前我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)等各項工作業(yè)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(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(zhì)量管理工作中的情況卻不是特別多。在進行環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測工作時，因為技術(shù)不完善導致數(shù)據(jù)采集效率和準確度低，技術(shù)人員數(shù)據(jù)分析任務量大等問題使空氣質(zhì)量監(jiān)測工作效率不夠高、反饋問題不夠及時，信息技術(shù)和計算機技術(shù)在環(huán)境質(zhì)量分析和預警方面的應用仍有待發(fā)展。

1.2 其他導致空氣污染監(jiān)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(jiān)測點位的定點布設首先要全面考慮到地理位置、地理環(huán)境條件與氣候地勢特征等多重因素，南北方區(qū)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(guī)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(jiān)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(jiān)測點數(shù)量在人口密度大的區(qū)域和人口密度較低的地區(qū)存在一定差異。

系統(tǒng)自動化程度仍然處于低水平狀態(tài)，我國現(xiàn)階段的環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)的功能方面依然很薄弱，沒有與當前階段迅速發(fā)展的人工智能等技術(shù)緊密聯(lián)系，收集到的數(shù)據(jù)仍需要耗費大量人力資源認真處理。

從測控技術(shù)角度看，我國原有的一些環(huán)境監(jiān)測儀器采集數(shù)據(jù)的誤差大，引入計算機自動測量技術(shù)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(jiān)測各種環(huán)境下的數(shù)據(jù)，在一些特殊或復雜的情況下不能發(fā)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(jié)果，不能確保數(shù)據(jù)的準確性；不僅如此，環(huán)境污染物種類對測控也會產(chǎn)生一定影響，以前的未知環(huán)境污染物在現(xiàn)階段隨著科技的不斷發(fā)展越來越多地被發(fā)現(xiàn)，而儀器的感知功能單一，很難針對空氣質(zhì)量提供建設性的整改意見。

2 系統(tǒng)核心技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)可以利用網(wǎng)絡來進行傳輸互聯(lián)，通俗來說就是物物相連的網(wǎng)絡，它能夠?qū)ξ锢硎澜邕M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(shù)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?shù)竭_信息處理中心實現(xiàn)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。可將搭載此技術(shù)的基站覆蓋全國范圍內(nèi)的空氣監(jiān)測最佳區(qū)域，將其建立在互聯(lián)網(wǎng)上，利用傳感器、射頻識別等作為感知元件實現(xiàn)獲取、分析和報告全國范圍內(nèi)空氣質(zhì)量變化情況，建立全國范圍內(nèi)的環(huán)境實時監(jiān)測平臺。

在本系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最底層為感知層，由各種在線檢測儀器、空氣質(zhì)量傳感器、傳感器網(wǎng)絡等組成，用于識別物體、采集信息[5]。在實際監(jiān)測收集相關(guān)數(shù)據(jù)的過程中，被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)散布著大量的傳感器節(jié)點，需要將“點”轉(zhuǎn)化為“面”，使測量數(shù)據(jù)更加全面。網(wǎng)絡層處于整體架構(gòu)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(shù)據(jù)高效率地輸送到云計算數(shù)據(jù)中心，針對用戶需求而設置的應用層則位于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最頂層，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，物聯(lián)網(wǎng)的各個智能應用都受其支配。

2.2 傳感器技術(shù)

從目前來看，傳感器產(chǎn)業(yè)已被國內(nèi)外研究人員高度關(guān)注，其擁有高技巧性、高滲透力、高市場涉及度、高經(jīng)濟效益等眾多特點，是具有良好發(fā)展前景的新一代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。傳感器以及能夠檢測、處理數(shù)據(jù)并聯(lián)網(wǎng)的執(zhí)行元件共同構(gòu)成了一個最基本的傳感器系統(tǒng)。整個信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)信息越可靠，測量結(jié)果越準確，測量系統(tǒng)整體在運行時工作狀態(tài)越好[6]。

環(huán)境檢測系統(tǒng)可設定溫濕度、CO2濃度與光照多個技術(shù)參數(shù)，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(tǒng)運轉(zhuǎn)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(wǎng)絡不采用傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)，一般情況下，傳感器的網(wǎng)絡鏈路層應用IEEE80.15.4，而網(wǎng)絡層則應用UDP/ICMP，應用層采用ZigBee，因為這一無線網(wǎng)絡標準相比其他網(wǎng)絡標準而言擁有更低能效、更低功率、更加可靠的優(yōu)點。

傳感裝置節(jié)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(jié)點把1 bit數(shù)據(jù)傳送到距離自身100 m的地方，會消耗掉如同實施3 000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(shù)據(jù)時消耗的能量極少[7]。

2.3 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、外圍硬件設備以及用戶的應用程序等組成了嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)顧名思義就是完全嵌入受控器件內(nèi)部的專用計算機系統(tǒng)，有以應用為中心、軟硬件可裁剪的特點[8]。嵌入式系統(tǒng)可以實現(xiàn)對其他設備的監(jiān)視（Monitor）、控制（Control）及管理（Management）等功能。本系統(tǒng)實現(xiàn)重點區(qū)域的SO、NOX、CO、PM10、粉塵濃度、風速等各類環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測是通過MQTT協(xié)議[9]、JAVA 技術(shù)以及 MySQL數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的功能和特點來完成的，同時需要完成的任務還有現(xiàn)場情況的采集、整理、分析工作。

本系統(tǒng)選擇433 MHz無線信號將終端節(jié)點和主機連接起來，支持實時通信。通過對相關(guān)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1 GHz的射頻發(fā)射裝置，應用性能較佳，能完成數(shù)據(jù)包處理、獲取信號強弱數(shù)據(jù)、信道性能評估、數(shù)據(jù)緩沖與鏈路品質(zhì)指示等。

2.4 硬件與軟件設計

在軟件技術(shù)方面，本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為基于互聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)，主要采用現(xiàn)已在業(yè)界內(nèi)被廣泛關(guān)注的三層式（3-tier）架構(gòu)來進行設計開發(fā)。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(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)提取層這三個系統(tǒng)功能層次組成了整個系統(tǒng)的主要架構(gòu)。各個系統(tǒng)功能層次既能獨立實現(xiàn)自己的主要功能，又能在完成系統(tǒng)最主要功能的同時在系統(tǒng)之間建立聯(lián)系。

用戶界面層是監(jiān)測人員接收監(jiān)控數(shù)據(jù)的重要平臺之一，囊括整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理層是系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，其關(guān)鍵性技術(shù)在于識讀器傳感網(wǎng)絡，必須具備靈敏度高、能耗低的優(yōu)點。數(shù)據(jù)提取層在本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中起著不可忽視的作用，其擔負著信息傳輸?shù)淖饔?，主要負責處理各類?shù)據(jù)之間的來源問題，與此同時，可以讓不同區(qū)域不同環(huán)境下的空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)進行互通，意義重大。

在硬件技術(shù)方面，本系統(tǒng)中的所有硬件設備均可通過網(wǎng)絡與系統(tǒng)后臺的控制中心相連，最終連接到各個前置機。硬件結(jié)構(gòu)的組成包含三個主要環(huán)節(jié)：感知、傳輸和處理。首先感知環(huán)節(jié)包含傳感器的部署、數(shù)據(jù)收集和處理技術(shù)。本系統(tǒng)所設立的基站均應用GSM協(xié)議與前置機通信，并通過網(wǎng)絡將收集到的數(shù)據(jù)進行簡單處理后發(fā)回到系統(tǒng)后臺的處理中心。在主機外圍還增加一定數(shù)量的外圍設備，具體包括：串行FLASH，其可保存系統(tǒng)啟動代碼以及部分界面圖像；UART的調(diào)試模塊，負責系統(tǒng)用戶測試和交互通信。

通過完善系統(tǒng)外圍接口，提高檢測系統(tǒng)運行及使用的靈活度，豐富接口數(shù)量。其次在傳輸階段，需要利用基礎核心網(wǎng)絡技術(shù)，本地監(jiān)控系統(tǒng)以LSC服務器為核心，與遠端服務器進行交換需通過TCPIT完成，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。最后在處理階段，需要面對數(shù)據(jù)量紛亂且復雜的問題，提高操作人員的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)計算處理分析平臺也應被合理應用，以提高數(shù)據(jù)綜合分析的效率，本系統(tǒng)將應用云計算來處理數(shù)據(jù)。

3 實際社會意義

環(huán)境污染問題關(guān)系著人類健康的同時也關(guān)系著社會的穩(wěn)定。近年來，我國的大氣環(huán)境質(zhì)量問題受到了社會各界的重視，有關(guān)PM2.5的污染問題成為了社會熱點。PM2.5的濃度監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析都離不開環(huán)境監(jiān)測設備，而數(shù)據(jù)能夠及時有效地被處理也是公布和預測污染物濃度的關(guān)鍵。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一種動態(tài)系統(tǒng)，由監(jiān)測對象和監(jiān)測手段兩部分組成，采用定性定量的系統(tǒng)分析以及各種方法、技術(shù)對環(huán)境中的組成成分及污染物進行檢測和監(jiān)控。以環(huán)境為對象，旨在掌握其內(nèi)在變化規(guī)律，將其作為環(huán)境保護的基本信息來源。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能準確全面地反映環(huán)境質(zhì)量的信息和污染問題發(fā)展趨勢，通過環(huán)境監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)可切實可行地為環(huán)境管理、環(huán)境規(guī)劃、污染防治和制定相應的環(huán)境監(jiān)察制度提供依據(jù)，環(huán)境監(jiān)測所獲得的信息還可為污染物排放標準規(guī)定和環(huán)境法制定提供一定的依據(jù)，是環(huán)境保護工作的關(guān)鍵。

全球物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)保產(chǎn)業(yè)上的應用仍處于初步發(fā)展階段，隨著技術(shù)的發(fā)展以及各國對環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重視，已漸漸形成初步格局。本文的大氣監(jiān)測設備應用傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計算機技術(shù)等高端技術(shù)進行有關(guān)大氣污染物質(zhì)的相關(guān)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(shù)值變化，得到并分析了相關(guān)地區(qū)大氣污染的狀況，可為環(huán)境規(guī)劃決策、環(huán)境指標考核和環(huán)境工程驗收服務等環(huán)保工作提供相應的科學數(shù)據(jù)或發(fā)揮監(jiān)督的職能。

4 結(jié) 語

環(huán)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?！崩锩娴摹白兏铩本褪侵腑h(huán)保。有效管理環(huán)境數(shù)據(jù)，實時分析環(huán)境變化，已成為當前環(huán)境監(jiān)測過程中的首要任務。在科技領(lǐng)域，有關(guān)環(huán)境檢測的科學技術(shù)手段和設備的發(fā)展與發(fā)明取得了長足的進步。本文的監(jiān)測設備利用新的科學技術(shù)手段為大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測工作提供了堅實的保障，有效提高了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的及時性、準確性、有效性，通過系統(tǒng)全面地提供相關(guān)環(huán)境信息數(shù)據(jù)，可幫助提升有關(guān)環(huán)保部門的工作效率，為大氣環(huán)境監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展和環(huán)保事業(yè)做出了不可忽視的貢獻。持續(xù)長效地發(fā)展面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)，是一項惠國惠民的工程，這對我國環(huán)境監(jiān)測和治理必將產(chǎn)生遠大的正面影響[10]。