基于物联网的环境自动监控数据采集与传输系统架构设计与功能实现

汪先锋

（山东省环境保护信息中心，济南 250101）

引言

近年来，我国大力加强环境监管业务中的信息化建设，在环境质量监控、污染源自动监控、环境应急等方面做出了大量的探索和努力。随着信息技术和环境监管业务的深入整合和发展，我们研究和设计了基于物联网的环境自动监控数据采集与传输系统总体架构。该设计将实现“物物相连”的数据采集与传输设备纳入环保物联网系统。数据采集与传输系统与各类自动监测设备之间能够互相通信、相互协作，共同完成相关环境自动监测任务。如，在河流断面自动监控体系中，通过与自动监测设备（或传感器）之间相互协作，实时采集与传输自动监测的数据，并对河流的上中下游相关监测数据的一致性进行检查和判断。采用代码分发机制，通过主控制端向各数据采集与传输节点分发软件升级程序，在最快、最安全的前提下，完成数据采集与传输系统的远程自动升级。该系统的设计与应用为实现环境自动监控系统的数字化和智能化发展奠定了坚实的基础。

1. 设计思路

针对环境自动监控需要实现对本地区大范围内多级、多层次、多种类环境要素质量进行自动连续的、实时的、全天候的监测与监控这一特点，本文就基于物联网的环境数据采集与传输，提出了设计允许多种类型环境要素自动监测设备和多类型环境监测传感器接入，支持多种数据传输方式、多协议多目标数据通信的高可靠和安全可信的数据采集与传输系统。该系统参照《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T 212—2005）和《污染源在线自动监控（监测）数据采集传输仪技术要求》(HJ 477—2009)两个标准进行设计。

该系统在传统应用的基础上，增加了数据采集与传输系统的智能性和控制性，使数据采集与传输系统与自动监测设备、传感器之间不仅可以通信，而且可以通过协作完成相关的环境自动监测业务。最终形成与各类污染源和环境质量自动监测信息的采集、处理、传输、存储、基础应用和综合应用等，实现环境监管业务的信息化、网络化、一体化和规范化。

2. 总体架构设计

数据采集与传输系统是硬件与软件结合为一体的设备，通常简称为“数采仪”。其必须要具备环境自动监测设备产生的监测数据和运行参数的采集、实时在线通信、报警、远程控制、数据存储、查询、系统日志、设置等功能。同时还应具有抗干扰能力强、停电自动切换、来电自动恢复、数据补传、异常情况恢复后的自动启动和复位等功能。

数据采集与传输系统要能够支持与各种自动监测仪器及系统的联接，以便在不做任何改动的情况下，可随时增加监测项目的采集和存储；具有任意通信协议的软件编程功能，可以与任意监测仪器进行通信的协议，同时还能按用户要求编制与上位机通信的协议，并能实现不同通信协议的转发。

系统支持多种通信方式（GPRS/EGPRS/CDMA，3G和各种有线网络），可同时采用多路信号输出，并可在不做任何改动的情况下，同时使用两种以上的通信方式，并能利用一种通信方式实现一数多发的功能，支持与多个环境监控中心的联接和通信。系统结构如图1所示。

图1 数据采集与传输系统结构图

总体架构与全国环境自动监控系统框架示意图如图2所示。

图2 总体架构与全国环境自动监控系统框架示意图

3.实现流程与功能

在基于物联网的环境自动监控数据采集与传输系统应用时，可以把CEMS（废气在线连续监测仪器）仪器，从企业的排污烟囱采集排放污染物的数据和仪器的工作状态信息，由锅炉运行负荷采集装置和室温传感器采集的锅炉运行负荷与室温数据，通过在监测现场配置的环境数据采集传输系统，接入互联网或专网。废水在线监测仪器把废水污染源的排放物的数据及该仪器的工作状态信息，通过在监测现场配置的环境数据采集传输系统，接入互联网或专网，传输到环境监控中心的数据库服务器。业务人员通过访问监控中心的数据库服务器，可以实时掌握和了解现场监测数据，同时可将监控命令通过网络传到现场的监测仪器，从而实现对监测仪器的远程控制。环保业务主管部门、各相关企业和公众，可通过Internet访问系统的Web服务器，根据不同的权限分类查看由市级监控中心审核后发布的各类环境自动监测数据。

系统与自动监测设备的通信结构如图3所示。

图3 系统与自动监测设备的通信示意图

3.1 数据统一采集与传输

系统可同时向国家、省、市、县环保业务部门和多级、多个环境监控中心转发原始环境自动监测数据，实现某一点位自动监测数据的统一性，也就是说不管哪一级环境监管部门、被监控企业或公众，在任何时间看到的某一点位环境数据，都是由该系统同时发布的统一的数据，这样能够确保数据的统一性，实现一源一数，一数多用。

2个或多个数据采集与传输系统之间能够相互通信，组织成一个互联互通的网络系统。该种互联互通的体系结构大大优越于传统的环境监测监控系统，不仅能够完成环境监测数据的实时多级传输，而且数据终端的智能化程度更高，它们之间可以通过自组网的形式协作完成一系列相关业务。

该系统相互通信及与环境自动监控系统关系如图4所示。

3.2 主要功能实现

以自动监测设备数据采集、智能数据传输和精确流程控制为重点，突出“一点多发、自动补发、WEB发布”等特点和功能，展现该系统的智能化和一体化，充分发挥与环境自动监控体系充分融合的最大效益。

3.2.1 Internet直接访问

系统实现能够向国家、省、市、县四级环境监控中心传输实时原始监测数据，系统用户通过Internet登录环境自动监控管理系统，查看实时监测数据。业务用户直接登录服务器查看原始监测数据。管理员用户可通过Internet可以直接访问数据采集与传输系统，查看数据采集与传输状态，制订修订数据采集与传输策略，掌握和控制自动监测设备运行状态。

3.2.2 协作检查

在指定的两台数据采集与传输仪之间通信协作，可完成区域内气体总排放量计算与数据不一致性检查等功能。

3.2.2.1 计算城市区域内的气体总排放量

在通信协作情况下，各个数据采集与传输仪都具有计算能力，各自的环境自动监测不必上传到环境自动监控中心平台。系统对某个特定范围内的数据采集与传输，能通过自身的计算能力，相互协作统计出本区域的环境污染状况（比如大气排放状况），能够减轻环境监控中心的计算负载，也使得环境监测业务统计更加科学。

3.2.2.2河流的上、中、下游数据不一致性检查

由于各个数据采集与传输系统之间能够互联互通，环境监测数据可以通过接力的方式相互传输。某个河流上、中、下游都安装部署了数据采集与传输系统，上游的数据采集与传输系统将其环境监测数据传递到中游的数据采集与传输系统，中游的数据采集与传输系统接收到上游的数据之后，自身进行迅速比对，可以迅速发现水域污染警情，以防止重大污染事故和污染源的扩散。

3.2.3 故障诊断

数据采集与传输系统之间可以相互通信，相互感知相邻节点的状态。如果数据采集与传输系统A无法正常向环境监控中心上传环境监测数据，这时临近的数据采集与传输系统B就可以向其发送数据包，探测A的状态，以确定A的运行与通信状况。

3.2.4 软件远程升级

采用代码分发机制，向数据采集与传输终端分发智能升级程序。可以提升和优化数据采集与传输系统的智能性和可控性，可以远程向其注入软件程序。由主控制节点分别向特定的节点分发升级程序，完成局部或所有数据采集与传输系统的远程升级。

3.2.5 数据统一处理

数据采集与传输系统采用ColdFire MCF5272 的32位高性能嵌入式微处理器，内存为64MB，系统闪存FLASH为8M，操作系统采用工业级的LINUX平台，具有极高的系统可靠性与安全性，具有可编程功能，可实现智能多通信协议处理、组件式的监测设备通信协议动态链接库。采用嵌入式数据库进行实时数据采集、存储和分析，存储空间能够保存自动监测设备产生的12个月以上的历史数据。

3.2.6 丰富的扩展性

数据采集与传输系统具有8路RS233/485数字接口、8路AI、8路DI/DO接口；一个以太网口、一个RJ45/USB调试口（均可扩展）；全部采用表贴元器件和高可靠性接插件，四层板设计，有单独的地层和电源层；采用主板和不同功能扩展模块压缩到一个主模块上的结构，结构紧凑简单；接口全部隔离包含电源隔离、信号隔离（光耦）等；具有良好的电磁兼容性，防快速瞬变电脉冲群干扰、防静电、 防辐射干扰、防浪涌干扰、防电压暂降、短时中断和电压变化干扰等。

图4 系统相互通信及与环境自动监控系统关系图

3.2.7 自动校验

采用嵌入式数据库处理所采集的数据，在数据采集时可自动校验和分析、存储数据，并具有分析数据质量码的功能，可判断所采集数据是正常状态下的数据还是在设备校正、维修、清洗等状态下的数据。数据采集具有实时性，遥测传送时间小于4秒，摇控指令从数据中心到采集装置时间小于2秒。

3.2.8 多种通信与传输方式

数据采集与传输系统将支持CDMA/GPRS/3G/ADSL/光纤宽带/串口等无线和有线通信方式，能充分满足用户各种不同情况下的多种通信传输方式的要求。

支持所采集数据进行定时传输、采样传输、召唤传输、透明传输等数据传输方式。具有数据多点发送功能，为在不同地点、不同终端提供同步、不同形式的实时和历史数据。具有可同时向最多达8个目标IP地址（监控系统）发送数据的功能，具有数据自动补发和历史数据召唤的功能，具有能够实现对现场监测设备的远程反控和对时的功能。

3.2.9 支持多种通信协议

数据采集与传输系统支持开放的工业标准规约IEC 60870-5-104、各行业和各生产厂家的数据采集与传输标准。

3.2.10 具有WEB发布功能

数据采集与传输系统采用AppWeb作为嵌入式WEB服务器，使监控人员可以通过互联网进行远程监控：最多支持8个通信点同时对1个点进行远程监控；对系统中所有模块具有故障自动诊断,自动报告功能，可以采用手机短信及时通知最多32个相关人员。通过WEB就可以对数据进行查询和遥测、遥控操作。

3.2.11 可实现视频数据的上传

数据采集与传输系统视频监控接口能接入视频装置，可以看到监测站点内部、排污口、烟囱和城市空气环境的实时视频监控画面，每秒至少传输6帧画面。

4. 结语

本文设计的基于物联网技术的环境自动监控数据采集与传输系统，具有明显的智能特性，该系统不仅具有“一点多发、自动补发、WEB发布”等特点，还具有较强的远程可控性，相互之间的通信、协作能力能够完成某些特定的环境监测监控业务，提高了系统的应用效率。采用代码分发机制，能够快速安全地实现数据采集与传输终端设备的远程升级。通过该系统的应用，能够充分保障环境自动监控系统的数据有效采集与传输，为环境监管奠定技术坚实的基础。

[1] 彭晓珊.关于物联网技术发展及应用前景的研究.汕头科技，2010,（1）.

[2] 孙春光, 刘开华, 曾菊香.基于Linux的便携式数据采集分析仪的研究与实现.组合机床与自动化加工技术，2006，（3）：21-23.

[3] 马渊，安野，黄佩伟. 基于嵌入式的远程测试控制技术.现代电子技术，2006 ，（17） ：101-103.

[4] 孙大庆，郭兴旺.基于GSM/GPRS的无线监控系统设计.计测技术，2006，26（4）：7-11.

[5] 曾帅，张治中，裴二荣.TD-SCDMA无线接入网数据采集技术研究.重庆邮电大学学报(自然科学版), 2007，（1）：39-40.

[6] 谢炜，翟坦，姜新等. 基于嵌入式系统的环保数据的采集与无线发送，微机发展，2005，15（1）：68-70.