基于IoT的污染监测系统的设计与实现

包子建

摘要：为了让企业和环境保护监督管理部门及时了解工业园区的环境污染状况，实现污染排放控制过程和范围的在线定量跟踪，进一步为企业和环境保护监督管理部门制定污染源管理和治理方案提供可靠的数据信息和科学的辅助管理决策，设计和开发了基于物联网的工业园区污染源在线监测该系。该系统能够及时、准确地监测环境质量，弥补了当前宏观环境监测的不足，为有效控制污染、解决环境问题提供了有力的参考。

关键词：物联网；污染监测；环境质量

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0255-02

随着经济的快速发展，污染源的类型日益增多，尤其在化工区、工业集中区和周边环境。污染类型和生态破坏日趋复杂，环境污染负荷不断增加，环境污染事故时有发生。同时，随着公众环境意识的逐步提高，各种环境污染投诉和纠纷日益频繁，环境监测的类型和要求也越来越高。本系统通过在工业园中放置感知节点来收集数据，将分析结果显示在PC机和手持终端上，它可以查看各种污染源的指标和历史记录。当污染物指数超过一定值时，可以使用移动APP进行预警。工业园区职工和周围的居民也可以登录手持终端查看当天的健康信息，以便及时应对当天的环境状况，提高健康意识水平。

1 系统设计

该系统采用高精度传感器对工业园区污染源中的PM2.5、SO2、CO等有害气体进行监测。根据不同的网络接入点，包括Wi-Fi网络接入点和GPRS网络接入点，实现网关数据交叉处理，以便在新的工业园区网络环境中实现异构网络之间的友好数据交互。实时发布的信息通过网络与第三层客户端连接。客户端PC或移动手持客户端可以通过浏览器或手持APP查询获取污染指数数据。

该系统主要由污染源感知节点、网关节点、PC终端、手持终端等部分组成。选择Wi-Fi网络、GPRS等网络通信方式构成系统的感知节点网络，感知节点通过网关节点与现有以太网连接。传感器节点实时采集污染源数据，同时对隐私数据进行可配置的预处理和加密。然后，处理后的数据通过无线网络直接发送到网关节点。网关节点收到数据后，立即转发给监控终端。监控终端对数据进行分类，并将其存储在数据库中。然后，监测终端将数据库中存储的污染源信息发送给移动智能终端和PC智能终端，将信息显示给政府部门、工业园区工作人员和工业园区周围的市民。一旦监测终端监测到预警信号，则将预警信号推送到移动智能终端和PC智能终端，提醒用户关注当前环境。

该系统分为三层：感知层、传输层和应用层。感知层作为底层，在环境监测设计中尤为重要。由于各种传感器的数据输出形式不同，采用相同的通信协议很难实现理想的数据采集。该系统利用单片机采集不同类型传感器的输入信号，并将其转换为统一的数据格式，从而采集转换后监测到的污染源数据，将其发送到数据处理服务平台。传输层包括GPRS网络和WiFi网络，能够快速、实时、有效地传输大容量数据，能够降低成本，提高资源利用率。控制层包括数据处理服务平臺、移动终端、PC终端和集成应用数据库，通过与数据处理服务平台的通信，将数据直观地显示给用户。此外，还将进行实时监测数据分析、总量核算、源强度计算和源分析、趋势排放监测和预警、污染源扩散预测和分析。同时，可以通过污染源跟踪服务云查看历史记录和分析数据。跟踪服务云还可以实现监控设备的自动校准，提高数据的准确性。

2系统实现

2.1 硬件实现

2.1.1 CO传感器模块

该系统采用的CO传感器为MQ-9气体传感器，所用的气敏材料为二氧化锡（SnO2），在清洁空气中具有低电导率。采用高低温循环检测法，在低温（1.5V加热）下检测一氧化碳。传感器的电导率随着空气中一氧化碳浓度的增加而增加，并且在高温（5.0V加热）下检测到甲烷和丙烷并对低温吸附的杂散气体加以净化。利用简单的电路，可以将电导率的变化转换为对应于气体浓度的输出信号。MQ-9气体传感器对一氧化碳、甲烷和液化气具有较高的灵敏度。可检测多种一氧化碳气体和易燃性气体，它是一种适用于许多应用的低成本传感器。

2.1.2 甲醛传感器模块

该电化学甲醛传感器能够满足一般检测的要求，具有体积小、监测速度快、价格低廉等优点。由电化学甲醛传感器采集的信号经放大后以16位精度送至AD7689，模拟信号被转换成数字信号，然后AD7689通过SPI串行通信接口将数据传送给处理器进行计算和处理，从而得到环境中甲醛的浓度值。

2.1.3 PM2.5传感器模块

本系统采用的PM2.5传感器是夏普光学传感器，对香烟烟雾等细小颗粒物的检测效果显著，是一种常用的空气净化系统。在该装置中，红外发光二极管和光电晶体管成对角线布置，以允许它们检测空气中的灰尘反射光。该传感器具有非常低的电流消耗（最高20mA，典型11mA），并且可以承载高达7VDC传感器。输出电压与测量粉尘浓度成正比，灵敏度为0.5V/0.1mg/m3。它具有测试精度高（16路可细分）、性能稳定、响应时间快、携带方便、操作方便等特点，为传感器节点监测粉尘含量提供了有力的保证。

2.1.4 数据通信模块

与常用的GPS模块和GPRS模块分离定位系统不同的是，本系统采用SIM公司的3G/HSDPA模块SIM5320。SIM5320内置GPS和A-GPS，提高了系统的可靠性。该模块采用小尺寸、薄厚度的SMT封装，减小了PCB设计的尺寸。STM32F103单片机通过串行通信与SIM5320模块进行数据传输，采用标准AT命令控制GSM模块，实现各种无线通信功能。

2.2 软件实现

2.2.1 污染源监测终端软件

污染源监测终端的工作流程是：首先进行硬件初始化，对每个传感器模块的数据进行初始化；然后进行WIFI协议栈初始化；执行协议栈的入口函数和硬件配置函数；为掌握污染源物质动态走向和排放量，实时采集污染源数据，并通过特定的网络发送到网关。

2.2.2 网关软件

网关节点的工作流程是：向网关节点供电后，首先初始化硬件电路，转换异构网络接入点的电源管理部分的电压，初始化主处理器的外部驱动电路，然后初始化网络配置，建立或加入相应的网络。在每个网络的接入点完成初始化网络的任务后，开始执行任务调度。该算法对每个网络模块的数据进行实时处理，对从不同网络获取的数据包进行解析，对数据包的源节点、数据内容和目标节点进行解析，并进行转发。

2.2.3 PC监控端软件

该系统提供了一个基于B/S结构的PC监控终端。基于B/S的架构具备无须安装任何软件即可操作的优点，它可以更好地面向工厂工人、工厂附近的居民和高级管理人员，使操作更加方便。由于系统强调实时监控数据，所以B/S结构可以及时响应客户请求，快速反馈数据，减轻了客户端机器负担。此外，B/S架构的维护和升级非常简单，可以减少开发和使用的成本，提供更多的选择。PC监控端软件使用Python语言和Django框架开发网页。通过HTTP服务器与Microsoft SQL Server数据库连接，实现信息交互，从而获得硬件终端采集的海量数据。

2.2.4 Android端软件

该系统的移动客户端是在Android平台上开发的，采用Java作为开发语言，Eclipse作为开发工具，通过GET/POST请求，JSON作为通信交换格式和服务器端进行通信。通过HTTP连接Android平台客户端程序和服务器，实现与JSON协议的交互信息和数据通信，速度更快，可被更多的用户和设备使用。JSON是一种轻量级的数据交换格式，提供了一种独立于软件和硬件的数据共享方法。同时，JSON作为一种数据包格式具有更高的效率，从而在相同的数据流量下降低网络的传输压力。

2.2.5 服务器数据采集与服务平台

智能终端通过数据采集服务进行数据采集和存储。数据采集与存储、数据网络传输、数据集成与处理等功能是基于Web Access技术的，它提供了与外界的接口，形成了数据采集与服务平台。数据采集业务采用通用网络传输协议HTTP与智能终端进行通信。多通道数据采集也可以根据需要通过数据集成和处理服务进行处理。数据库是各种服务之间数据共享的基础。智能终端采集的数据可以直接存储在服务器（原始数据）中或通过网络转发，用于远程实时显示和观察，并且可以根据用户的需要通过数据集成和处理服务方便地集成到其他平台中。本系统通过Web Access技术，将数据采集、数据网络传输和数据集成预处理功能集成到移动手持终端应用开发平台的服务接口中，用于搜索、发现和调用服务，从而实现移动终端和PC终端的各种功能。在信息加工和处理部分，通过查询接口调用自动监测仪器的实时数据和历史数据，查询各指标的小时、日、月、年平均值，查询各种污染指标、质量等级和条件。通过图形显示，移动手持终端可以实时显示污染源的位置和实时变化的数据、污染指数、超标报警等。

3 结语

该系统综合了各种地理信息资源和环境保护业务数据，建立了工业园区的网格监控系统，设置了多个监控点，利用多种高精度传感器采集数据，建立了统一的环境信息资源数据库。实时存储监测数据，实现空间数据和动态监测数据、动态监测数据、政策法规数据等各种业务数据的无缝融合。增强了环境相关业务的管理能力，综合管理和决策分析能力。

参考文獻：

[1] 李敏. 基于物联网的监控系统研究与应用[D]. 长江大学，2016.

[2] 颜世波. 基于Android的智能环境检测系统的开发[J]. 东方教育， 2015（4）.

[3] 邵菲等. 基于STM32的水质污染远程监测系统[J]. 民营科技， 2016（7）.

[4] 顾子玲. 面向工业园区的污染气体排放监测系统设计[D]. 北京交通大学，2016.

【通联编辑：梁书】