远程自动监测技术

王海宝 吴婷婷 吴光杰

（1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）（2.重庆三峡学院，重庆万州 404100）

随着人类物质文明的提高，经济利益的不断增长，人类对大自然的危害也日趋加重.环境污染已是一个刻不容缓、亟待解决的问题，也是造福人类的可持续发展问题.环境监测系统已经由手动控制逐步向自动控制迈进，环境监测的仪器不断完善，但是对于某些恶劣的环境、危险的检测站，不适合人员长期的检测，这就呼唤出了各种各样的远程控制自动环境监测系统，比如遥感技术，基于GPRS，Ad hoc网络；软件设计更加理智化、可行化，如Linux，LabVIEW等.

1 基于遥感技术的在线监测技术

遥感技术是20世纪60年代兴起的一种综合性探测技术，以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，探测、分析和研究地球资源与环境，远距离不直接接触物体而识别、测量并分析目标物性质.遥感技术主要分为可见光、反射红外遥感技术，热红外遥感技术，微波遥感技术三中类型.[1]

自20世纪90年代以来，雷达卫星开始使用之后，遥感技术已经运用在水质监测、大气监测、生态监测和全球环境监测中.[2]1）通过对污染水和洁净水的发射光谱差异实现对水体的遥感监测，从而达到科学处理污染水的目的.目前，我国水质监测主要有湖泊营养化、海洋赤潮和河流污染.2）通过间接解释标志（植物对有害气体的敏感性）来推断大气的污染程度和含量，目前利用大气空基遥感监测技术可以实现对臭氧层、气溶胶和二氧化碳等的监测.3）人类不停的开发消耗自然资源，加重了生态环境的负担，我们必须正确的认识和评价生态环境质量.刘焕高、刘庆生等人建立了黄河三角洲土地利用遥感信息分类体系与动态变化识别模型，开发了多种基于遥感技术的生态监测模型，实现了区域生态环境的动态监测和综合性分析.[3]

遥感技术正在不断发展，也给环境监测系统带来了便利，建立遥感监测图像与环境污染物参数的定量分析将是后续工作的重点所在.遥感技术与全球定位系统（GPS）、专家系统(ES)和地理信息系统(GIS)的科学性结合，[4]将大大提高在环境监测系统的应用范围，使得在线监测合理化、智能化.但是，现在遥感技术的训练和信息交换的开销已经成为遥感技术发展的瓶颈.

2 基于GPRS和Linux的远程监测系统

2.1 GPRS技术

General Packet Radio Service是通用分组无线业务GPRS的英文全称，它是一种基于2G的GSM的2.5G无线分组交换技术，也是一种新的分组数据承载业务.GPRS性能特点主要是覆盖范围广、实时在线、传输和接入速度快，能在移动用户和远程终端的数据网络之间提供链接，从而给移动用户提供高速无线传输.GPRS特别适合于间断的、突发性的或者频繁的、少量的数据传输，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于频发小数据量的实时传输.[5][6]

在环境监测系统中，利用GPRS模块（以法国WAVECOM公司的GPRS模块为例，其结构如图2.1所示）快速高效的将数据处理后的数据传输到Internet上，使得在环境变化恶劣之前，环保单位（环境监测中心站）及时对数据进行分析以做出相应的对策.

图2.1 基于GPRS的远程监测结构

图2.1 GPRS在上述系统中，GPRS模块可以与多个监测子站同时连接，这就使得在偏远的地区可以很方便的一次性布点成功，环境监测的效率将得到大大的提高.但是基于GPRS的环境监测系统依然存在很多不利的因素，比如说，GPRS是处在2.5G阶段的移动通信技术，而当今3G技术已经日趋成熟，3G组网正处于完成与即将完成的阶段，2G的运用将会有所减弱，这样就势必影响基于GPRS环境监测的系统，给国家带来的经济损失是难以估计的.所以，是否继续要选择GPRS模块改进环境监测系统是一个需要认真审视的问题.

2.2 嵌入式Linux操作系统

GPRS是环境监测系统的数据传输部分，随着各种技术的进步和软件设备的发展，对于环境监测系统中数据处理、数据分析、数据存取也提出了越来越高的要求.嵌入式系统结合了计算机技术、半导体工艺技术和通信网络技术，它以计算机为基础，应用为中心，能够适应实际应用中条件苛刻的专用的计算机操作系统.Linux正在成为嵌入式软件平台的重要选择，由于源代码丰富而且是免费开放的，这样就显著降低了嵌入式系统的使用成本.[7]现在的服务器端的软硬件大多都支持Linux，而且IT技术人员很快就可以熟悉Linux，它还支持蓝牙技术，是自由的多用户多任务操作系统，用户可以获得多种配置及体系不同的Linux版本.所以，以Linux为系统设计平台的环境在线检测系统已经得到了广泛的运用.

基于ARM9的S3C2440（S3C2410A）微处理器和Linux通过建立一个数据库来共同完成对数据的采集、处理和存取.该系统主要有以下几个模块：串行通信模块（RS232、RS485、CAN总线）、远程通信模块（GPRS）、数据采集模块、数据处理模块、网络探测模块、数据重传模块、报警逻辑模块和状态回报模块.[8][9]

将GPRS系统和Linux系统联合设计的环境在线监测系统中，嵌入式计算机的作用主要是对传感器检测到的环境的物理信号进行采集，并且对采集到的信号进行分析和处理.在检测过程中，嵌入式操作系统创建的庞大的数据库模块，对数据分析和处理起到了明了而且快速的作用，为后续控制操作提供了不可多得的数据宝库，使系统具有较强的实时性、抗干扰性、系统稳定性和可移植性.GPRS系统和嵌入式系统的软硬件的相互配合，将数据采集、数据处理、数据分析和数据传输完美的结合，使得环境在线监测系统向着智能化、网络化和综合化方向发展.

3 基于Ad hoc和LabVIEW的远程监测系统

3.1 Ad hoc网络

Ad hoc 网络是由一组自主的无线节点或终端相互合作而形成的网络，具有动态拓扑结构和无线通信的特点，即是一个自组织、多跳变、由移动节点通过无线链路组成的动态拓扑变化的网络.[10]随着Ad hoc网络研究的日益深入，这种技术已经广泛应用于现代化战场以及紧急和灾难等危险场景，同时也得到了环境监测系统的青睐，特别是美国部分大学正在研制推行的MIMO -Ad hoc网络，具有更大的灵活性，使得数据传输模块更加灵活多变，适应环境能力更强.

在环境监测系统中，Ad hoc网络的主要作用就是进行数据的预处理.在Ad hoc网络环境下，数据采集依然在系统的最前端，而预处理主要有三个方面的任务，即：一对传感器所传递的物理信息进行采集，并且做本地处理（信号调理等）；二对传感器传递的性能参数进行预处理和回放显示；三对采集到的数据进行传输.

3.2 LabVIEW

LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，LabVIEW简化了虚拟仪器的开发过程，缩短了系统的开发和调试周期.

20世纪 80年代中期，美国国家仪器公司（National Instrument，简称NI）首先提出了“软件即仪器”（The Software is the Instrument）这一虚拟仪器（VI）的概念，并以具有强大功能的LabVIEW为虚拟仪器开发平台.这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径.

LabVIEW主要由前面板（front panel）、程序框图（blockdiagram）和图标/连接器端口三部分组成.[11]以电子称的设计为例，前面板和程序框图分别如图3.2.1和3.2.2所示.

图3.2.1 电子称的称重过程前面板

图3.2.2 电子称的称重过程程序框图

环境实时监测系统中，LabVIEW主要是通过NI公司生产的数据采集卡（多种型号）对传感器传递的物理信号进行采集，同时可以设置二次数据处理计算、屏幕显示、数据存储、打印输出和人机联系等.[12]将Ad hoc网络和LabVIEW相结合，用于对环境的在线监测，其结构框图如3.2.3图示.

图3.2.3 基于Ad hoc远程监测系统

基于LabVIEW和Ad hoc网络的环境监测系统，人机界面友好，操作简单且方便，在今后的时间里具有潜在的实用价值.但是，基于Ad hoc的智能自动检测系统自身就具有多扰动和紧耦合的特点，而且Ad hoc网络由于是自组织的，它的安全性能是很难得到保障的，所以运用这样的系统预存着极大的风险性.对于它的预处理操作过程是很繁琐的，在应用此系统时，大量的维护工作和安全预警工作是必须的.

4 总 结

本文主要介绍融入到环境在线监测系统中的几种技术：遥感技术，GPRS和Ad hoc，Linux和LabVIEW.就目前的技术发展来看，前两者的使用价值更大，后者系统稳定性不如前者，但是后者的操作简单易行，不久的未来肯定能得到青睐.许多研究人员已经开始将GPRS和LabVIEW结合并运用到环境监测系统中，这就面临着数据库优化的问题.[13]同时，目前大多注视检测部分，后续的反馈控制技术还不是很成熟，运用单片机是很常见的，但是更新的、智能化的操作方法还没有完全实现.

[1]郑有飞.遥感技术在环境监测中的应用[J].科技信息（学术研究），2008（2）:9-11.

[2]季慧颖，赵碧云.遥感技术在环境监测中的应用综述[J].环境科学导刊，2008，27（2）:21-24.

[3]刘高焕，刘庆生，叶庆华.黄河三角洲生态环境遥感监测与模拟//第一届环境遥感应用技术国际研讨会论文集[C].2003.

[4]周素琴.3S技术在生态旅游中的应用[J].网络财富，2008（14）:29-30.

[5]郑勇，樊桂枝，吴朝文.GPRS通信技术及其在电力生产中的应用[J].电力系统通信，2008(S1):44-47.

[6]李文根，单奇.基于GPRS的环境在线监测系统设计[J].四川环境，2008（5）:24-27.

[7]王丽英.嵌入式技术发展迅猛 开源Linux操作系统受青睐（上）[J].今日电子，2008（6）:46-48.

[8]ZHAO Chang-yong，WANG Yong and CHEN Kangsheng.A Videocapaturing System Based on Embedded Linux.Chinese Journal of Science Intrument.2005(8) :537-540.

[9]王晓成，蒋梁中.嵌入式环境在线监测点系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2006，19（11）:88-89.

[10]谢文昊，万江.Ad hoc网络安全综述[J].电子设计工程.2009（4）:108-109.

[11]王海宝，吴光杰，谭泽富，等.LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2005.

[12]沈保山，姬长英，等.基于LabVIEW数据采集系统的设计[J].机械与电子，2009（4）:76-78.

[13]王海宝，周启军，廖晓玲，吴光杰.三峡水库水质在线监测基站系统研究[J].重庆三峡学院学报，2005（3）.