基于物联网环境监测关键技术分析

刘丹 辽宁省葫芦岛市连山区环境保护监测站

一直以来，我国都十分重视工业的发展，但是随着工业的发展，环境污染的问题已成为制约经济发展的一个重要因素。尤其是在化工行业，一方面，无论是危化品存储还是运输都对环境具有较高的要求；另一方面，化工企业本身对环境的影响也是巨大的。物联网在互联网的基础之上加入了节点感知层，在数据融合、信息处理及智能控制决策等方面有更出色的表现。一般来说，开展环境监测物联网关键技术研究围绕四个方面展开，澳阔多传感器终端、局域网络通信、广域网络通信、数据云平台[1]。

毛明建（2019）针对危化品存储设施安全监控的需求，开展了环境监测物联网关键技术研究，并在研究的基础上对环境监测物联网系统进行了性能测试，结果表明无源无线冲击传感器可以实现对物理冲击的监测和响应，与云平台的数据和指令交互正常，工作稳定。

刘皎等（2019）针对大气环境数据收集问题设计了一种基于物联网的环境监测系统，并利用4G 无线通信技术对采集到的各种数据进行实时传输，功能全面。

吴丹娜等（2014）则介绍了环境监测的内涵、物联网的相关概念以及体系结构，然后分析了物联网在环境监测和预警应用中的现状和重点区域环境监测的试点应用，在此基础上论述了物联网在我国环境监测中的发展与实践，同时指出物联网技术应用过程中存在的一些问题[2-3]。

本文研究了多传感器终端、局域网络通信、广域网络通信、数据云平台等关键技术的基础上提出了新的硬件以及软件系统设计，并将其应用到实际的测验中，完成了一整套的环境监测物联网系统，在分析实际应用情况之后提出相应的措施建议，总的来说在化工生产领域具有较高的应用价值[5]。

一、国内外研究现状及发展趋势

（一）国外研究现状

在环境监测物联网系统的构建上，国外起步较早，不管是无线传输协议、专用芯片还是物联网系统，发达国家都占有较大优势，相关的研究内容比较丰富。无论是监测室内温度和湿度的智慧城市物联网系统、长期监测室外环境的低功耗物联网系统还是利用太阳能自供电的实时环境监测物联网系统，都是学者在做了大量的研究工作之后提出的符合实际发展要求的新系统设计。越来越多的技术，如4G、5G、WiFi 等无线技术融合到物联网系统之中，推动物联网环境监测领域朝着新技术的方向发展[6]。

（二）国内研究现状

国内的环境监测物联网技术近几年发展趋势良好，主要在传感器件、通信技术以及系统集成方面取得了较大进展。如朴植等人提出的基于STM32 的物联网通用中继节点，能够实现数据的自主采集、存储与处理。化工行业的蓬勃发展离不开完善的环境监测系统，基于物联网技术的智慧环境监测已经逐渐成了研究热点[7]（见图1）。

图1 基于STM32的物联网通用中继节点

（三）基于物联网环境监测技术发展趋势

通过总结国内外研究现状不难发现未来物联网环境监测技术的发展趋势。环境监测需要大量获取环境中的各种物理量信息并进行融合处理，需要多传感器技术的融合。环境监测运行实践长，工作环境也较为复杂，能量管理起着重要作用。此外，还有无线技术，能够实现环境监测数据的高效、稳定、安全和长距离运输。最后也是最关键的，将云服务技术纳入物联网系统之中，提升物联网环境监测系统的信息处理能力和数据分析能力。

二、环境监测物联网系统关键技术分析

（一）无源无线冲击传感器

无源无线冲击传感器设计包括无源无线冲击传感器具体构成、传感器结构制作以及节点电路的设计。无源无线冲击传感器的具体构成包括线圈、铁芯、磁铁、弹簧片和质量块等。线圈、铁芯和此铁构成基本的电磁感应发电原件，质量块和弹簧片提供对应的运动势能。无源无线冲击传感器接收到冲击信号时会驱动电磁感应发电器件将机械能转换为电能。无源无线冲击传感节点电路设计方案包括能量转换及控制电路、超低功耗射频发射电路两大部分的电路设计。能量转换及控制电路设计采用双阈值电压监测电路，能量转换电路使用电桥整流电路。

（二）硬件平台设计

除了无源无线冲击传感节点的设计之外，还要重点研究环境监测物联网系统的终端硬件平台设计，包括针对监测系统的两种工作模式分别涉及两种硬件平台。区域覆盖监测系统硬件平台由传感节点模块、无源无线冲击传感模块和网关设备组成。而传感节点是区域覆盖监测系统运行的基础。网关设备电路设计则是区域覆盖监测系统运行的中枢，负责信息的汇总、处理与发送。除此之外，由主控模板、无源无线冲击传感模块和通信板块组成的定点直连监测系统硬件平台运行原理如下：（1）无源无线冲击传感器在监测到脉冲信号后，发送脉冲信号到主控模块；（2）主控模块获取环境监测传感信息之后将数据通过串口驱动模块经TCP 协议将数据包发送到云平台；（3）云平台发送控制指令到本地，控制主控模板的工作状态。

（三）软件系统设计

无源无线冲击传感模块软件设计基于Keil u Vision4 软件平台完成软件功能的编写、调试及测试，在数据收发的程序中射频器件能够实现数据包的自我组包，因此在数据进行发送时只需要将数据加入缓存寄存器即可，数据封包完成后可以直接进行数据的发送。区域覆盖监测系统软件由传感模块软件、主控模块软件和云平台应用三个部分组成。定点直连监测系统软件由主控模块的设备端软件和云服务器的上位机软件。主控模块软件主要负责传感数据获得、GPRS 模块驱动、数据上传和指令解析等；云服务端尚未机软件设计则负责数据处理显示、数据库数据存储及查询、指令下发等一系列功能（见表1）。

表1 射频模块数据包格式

（四）实际应用与测试情况

通过实践应用过程中的多次测试可以发现，基于物联网环境监测关键技术已基本得到应用，相关的功能也比较完善，实现了无源无线冲击传感的报警功能、环境数据云端实时监测和云端指令实时下发等功能。化工企业在实际应用的过程中利用该环境监测系统能更加准确的监测到环境数据的变化并及时给出预警方案。总的来说，该设计方案已基本完成预期设计与功能目标。

三、完善物联网环境监测系统措施建议

（一）整体上行业应当统一技术标准

物联网标准体系相对较复杂，在环境监测领域，更是缺乏一个统一的技术标准。进一步说，传感器网络技术标准、云计算标准以及信息安全标准等，在实践的过程中一定要有一个统一的应用标准。

（二）做好物联网环境监测系统及时维护

基于互联网的环境监测系统对技术的要求高，化工企业一旦开始应用物联网环境监测系统，就要配备相关的专业人员进行维护和及时升级。一方面，研究人员要结合实际应用过程中出现的问题做好维护工作；另一方面，相关的工作人员要配合环境监测系统的运行，正确利用好关键技术，在实际操作的过程中发挥重要作用。

（三）优化技术人员结构

随着时代的发展，化工企业对于高新技术人才的需求远高于之前，从事环境监测技术的人员结构不合理，从事化工企业环境监测的技术人员参差不齐。高学历、高技术人才所占比例还是比较少。企业应当合理重组和优化技术人员的构成，同时做好基层人员的技术培训工作以填补技术人才缺口。

四、结论

总的来说，基于物联网环境监测关键技术已基本得到应用，相关的功能也比较完善，利用该环境监测系统能更加准确的监测到环境数据的变化并及时给出预警方案。总的来说，本文的设计方案已基本完成预期设计与功能目标。