基于物联网的环境保护监测平台研究

2015-01-07张江洪程辉

卷宗 2015年12期

张江洪　程辉

摘要：物联网技术是一种全新的信息获取和智能处理技术，集成了传感器、嵌入式、网络通信、数据挖掘等技术，受到国内外广泛的关注，已在多种行业得到了广泛的应用。本文将物联网应用到环境监测，提高了对环境监控的能力，本文主要提出一种基于物联网的环境保护监测平台设计思路。

关键词：物联网；环境保护；监测平台

随着工业的迅速发展，环境问题已严重影响了社会的可持续发展。特别是长期以来粗放型经济增长方式，使环境遭到很大破坏，已经影响到人类健康。物联网是把传感器嵌入或置入建筑、电网、桥梁、大坝、工厂等需要监测的物体中，传感器实时采集现场的数据信息，然后通过网络，将数据发送到监测中心，达到监测人员、监测中心对基础设施实施有效的监控。实现对数据的智能化采集、传输和处理，达到“智能化”的状态。实现物与物、人与物的连结，提高资源利用率、劳动效率和生产力水平，改善人与自然的关系。

1 物联网在环境保护监测方面的应用现状

环境监测是物联网最先应用的领域之一，物联网广泛应用于生态环境监测、水质监测、大气检测、噪声监测、降水监测、土壤监测、电磁辐射监测、排污监控、森林植被防护等。

1）大气监测：把在线监测仪器、有毒或有害气体传感器布置在污染源、人群密集或敏感地区。当某监测点大气发生异常变化时，传感器将通过传感节点将数据上傳至传感网，最后交给应用层程序进行处理，应用层程序会根据事先制定的事故应急预案执行处理。

2）水质监测：水质监测包括饮用水监测和水污染监测。饮用水监测在水源安装传感器、摄像头等设备，将水质的PH、SO2、铝等指标值实时上传到水质监测中心，实现对饮用水的监测和报警。水污染监测是在污水排放单位安装污水自动分析仪器和摄像头，对污水的 CODcr、TOC、NH3-N、流量等指标实施实时监控，并将污染信息发送到排污单位、监测中心，对污染事故做出及时有效的处理，防止重大污染事故的出现。

2 基于物联网的数据挖掘

监测点及监测指标的大量增加，数据呈现海量级趋势。用传统的数据分析处理方法处理海量级的监测数据，其效率较低且不能有效给出监测点的污染等级和量化评价等信息。利用聚类分析和预测方法，可有效处理环境监测数据。

环境监测是对空气质量、水质量进行监测。监测数据是海量级的。发现隐藏在其中的关键信息，仅靠人工发现是困难且不现实的，因此必须使用数据挖掘技术对数据进行分析处理。在监测系统中，相关的数据挖掘技术可对环境污染做出预测、评价，为环境监测提供智能化处理，给环境的防治工作提供有效帮助。本文从以下几个方面研究环境数据的挖掘。

1）环境监测聚类分析：根据监测点的污染物指标值，利用聚类算法对监测点进行聚类。同一类中，监测点的污染情况基本相似。这样容易区分哪些监测点的污染程度较小，哪些监测点的污染程度较大。经过聚类后，监测点被划分到不同的类，以类为单位评价监测点，可有效降低数据计算量。

2）环境质量评价：根据环境质量标准等级，对监测点的水质或空气质量进行等级评价，然后在 GIS 地图上标出监测点的污染级别，这样更能直观反应环境污染情况。由于监测点较多，对它们分别评价，会产生巨大的计算量，因此需要计算出每个聚类中心，然后对聚类中心进行评价。

3）环境预测：监测平台数据库保存大量的历史监测数据，通过对这些数据进行时间序列分析，可以挖掘出污染数据随时间变化的情况，以便掌握污染情况的变化趋势，提前做好防止污染措施。

3 环境监测系统的体系结构

根据模块化设计思想，设计系统体系架构，并实现其中的关键模块。环境视频监控模块利用视频技术，可视化监控现场情况。地理信息系统模块利用 GIS 技术，以空间形式存储、管理监测点信息及显示报警、预警和评价信息。SMS 短信模块利用 SMS 技术，以短信方式报告环境污染信息。环境预报警模块利用聚类分析和预测模型，评价环境质量状况和预测数据变化趋势。

1）系统体系结构：系统分两个子系统：现场机系统和监测平台。现场机系统运行在现场机上，接收现场仪器采集的数据，处理和打包数据，然后经网络把数据发送到监测平台，其分为数据采集、数据传输、参数设置和控制四个功能模块。

2）环境视频监控：环境视频监控模块实现对监测现场的可视化监控。该模块基于科达视频 CU 二次开发，从很大程度上降低开发的难度，提高开发的速度。其主要功能有：视频浏览，图像抓拍、视频录像、录像回放、录像查询、云镜控制和前端参数设置等，

3）地理信息系统：地理信息系统应用到环境监测，实现对监测点的空间管理。在地理信息系统中显示报警和预警的信息，使监测人员能及时掌握环境污染的情况、环境污染的发生地等信息，为环境监测提供高效、直观、方便的服务。

4）SMS 短信：利用 SMS（Short Message Service）短信实现以短信方式将污染超标监测点的基本信息、超标物质、超标数值等发送给监测人员，使监测人员即使不在监控中心，也能及时掌握环境污染信息。SMS 短信技术为环境监测提供新的监控手段，提高对突发事件的处理能力和效率。SMS 是一种存储和转发服务，通过 SMS 中心进行消息转发。SMS 群发系统已经在银行短信服务、零售行业短信、人才类短信、证券类短信、电力等行业得到应用。

5）数据传输：本系统开发的现场机系统采用 TCP 数据传输协议。如果通信双方采用 TCP 连接，监测平台的数据传输模块工作过程是：启动 TCP 服务，监听是否有客户端（现场机）的连接请求，如果发现有客户端的连接请求，启动一个新线程与客户端建立 Socket 连接。然后通过此连接，监测平台接收客户端发送的数据和向客户端发送监控命令。

6）环境预报警：环境预报警模块对监测数据进行分析处理，为应急处理和领导决策提供准确的数据依据，由报警模块、预警模块、评价模块三个子模块组成。报警模块判断监测点是否出现超标现象，使监测人员能够对环境污染突发事件做出有效、及时处理。预警模块根据监测点污染指标值的变化情况预测污染指标值的发展趋势，提前做好预警。评价模块根据当前污染指标值，对监测点环境状况做出评价。

4 环境监测系统设计思路

基于以上研究和系统需求分析，设计并实现基于物联网的环境监测系统。系统主要分为监测平台和现场机系统，提供监测数据实时获取、环境报警、预测预警、信息共享和应急决策等。

1）系统需求分析：系统分两个子系统即监测平台和现场机系统。监测平台具有数据傳输、数据处理、数据查询、统计和报表、实时报警、预测预警、远程监控和维护、图形显示等功能。现场机系统具有数据采集、数据上传、基本参数设置等功能。

2）系统主要处理流程：系统整体工作流程是：现场机发送数据前，判断是否已与监测平台连接，如果已连接，可向监测平台发送数据，监测平台也可向现场机发送指令；否则，现场机与监测平台建立 Socket 连接，进行通信；监测平台接收、存储数据流程是：接收现场机发送的数据包，解析数据包，将数据存入数据库，远程控制是监测平台向现场机发送控制命令，控制现场采集仪器的工作状态和模式，其流程是：监测平台选择要控制的现场机，向其发送控制命令，现场机接收到命令后，分析和执行命令；数据查询流程是：用户选择或输入数据查询条件，提交查询，查询结果以报表或曲线图的方式显示给用户；

3）系统设计目标：系统利用物联网技术实现采集监测点的环境数据，然后将数据上传至监测平台。监测平台分析处理上传的数据，判断或预测污染指标是否超标，如果出现污染物超标，则进行报警或预警，同时通过 SMS 通知负责人，达到对环境突发事件有效、及时的处理。

4）系统总体框架：环境监测系统运用物联网技术，采集现场数据、传输数据、分析处理数据、显示数据。监测平台安装在环境监测部门，通过传输线路与现场机连接，接收现场机数据和处理数据，并向现场机发出采集和控制指令。现场机安装在污染源排放现场或要监测的地方，接收采集仪器的数据，同时通过网络将数据上传到监测平台。现场机系统又称现场数据采集系统，接收采集仪器发送的现场数据，处理和打包数据，通过有线或无线网络连接，把数据上传到监测平台。现场机系统按工作过程分为三部分：数据传输、现场控制、数据处理和存储。

5 总结与展望

物联网技术的发展，为环境监测提供有效的监测手段。运用物联网技术检测对人类和环境有影响的各种物质含量、排放量、环境状态参数和跟踪环境质量的变化，为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息，为环境监督、执法提供可靠、有力证据。在企业排污口或对环境分析有重要意义的位置布置监测点，通过网络将监测点采集的数据信息传输到监测中心，然后监测中心对数据汇总、分析和处理，最后以不同形式呈现给监测人员，实现对环境信息自动化、智能化管理，提高对环境污染事件监测、报警、预警能力。无疑，基于物联网研究环境监测，将具有重大的应用价值。

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