基于物联网的环境监控系统研究

2021-02-25潘燕

物联网技术 2021年2期

潘燕

（上海电器科学研究院上海市智能电网需求响应重点实验室，上海 200063）

0 引言

随着经济的发展，环境污染问题日益突出，如大气雾霾导致能见度低下；工业制造、建筑制造产生粉尘和噪音等问题；车辆、化工等破坏大气臭氧层，导致全球温度升高。这种情况下，对环境进行监测和保护尤为重要。

物联网通过传感设备，按照约定协议将任何实体硬件设备与网络相连，使实体硬件设备可通过信息传播媒介进行信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能[1]。物联网由感知层、网络层和应用层组成。感知层将物理世界与信息世界通过硬件设备进行连接，感知环境物质外在属性；网络层作为物联网的大脑，将感知层信息传输至应用层。传入的数据通过应用层转换和子平台处理后服务行业发展[2]。物联网更偏重应用，应用是物联网的核心，创新是物联网发展的灵魂。

目前，我国已经进入了环境污染事件的高发期，相关事件层出不穷。据不完全统计，我国1998—2006年平均每年发生1 600多起环境污染事故，且近年来呈波动上升趋势[3]。基于物联网的环境监测平台是物联网技术的重要应用之一[4]，常用技术包括传感技术、RFID标签、嵌入式系统技术、Web等，其中传感技术已被广泛应用于各监测领域[5]。

本文将物联网应用于环境监测领域，利用网络以及传感器技术收集环境数据，并利用网络技术将其显示在Web界面，实现环境的实时监控和信息互享。用户可在远程监控环境的同时，采取相应的措施改善环境，真正实现环境监控的意义。

1 系统架构设计

图1所示为环境监测系统架构图，其包含物联层、控制层、业务层、应用层以及数据管理中心。物联层包括传感器伺服以及其他设备伺服，其中传感器伺服包括传感器终端模块与上位机软件，主要应用传感器采集环境数据并将数据传输至控制层，控制层对获取的数据进行分析、处理，形成一定的报表数据并传输至业务层，最终通过接口显示给用户。

图1 环境监测系统架构

1.1 传感器伺服

传感器伺服包括传感器终端模块以及上位机软件。传感器终端模块包括传感器控制器和多种传感器模块，其中传感器控制器共有三种通信方式与上位机软件交互，分别为以太网接口，GPRS接口，以及RS 485接口。传感器控制器与多种传感器模块的通信同时支持I2C，SPI，TTL串口，电流电压模拟输入接口。传感器控制器的核心模块为STM32F107RC，用于支持传感器控制器与上位机软件以及多种传感器模块之间的数据交互。传感器终端模块框图如图2所示。

图2 传感器终端模块框图

多种传感器模块包括光照度传感器、粉尘传感器、风速传感器、温湿度传感器、噪声传感器、土壤含水量传感器、CO2检测模块、CO检测模块、NH3检测模块、SO2检测模块、Cl2检测模块、HCl检测模块、H2S检测模块、NO2检测模块、VOC检测模块等，其中9种为气体传感器。

上位机软件基于Linux系统设计，主要支持传感器终端模块与系统服务器之间的数据通信。将传感器数据接收并传输至服务器，同时将服务器相关指令传输至传感器终端模块。

1.2 Web 服务器功能的实现

Web服务器通过Tomcat部署，框架为Spring MVC。传感器采集的数据与数据中心交互，进行一系列数据处理后，通过页面反馈给用户进行监测。监测系统的安全采用授权方式保障，后台提供Restful接口，返回的JSON格式数据供第三方调用。系统内的终端设备通过UDP、TCP与Web服务器建立连接，可以上报数据以及接收控制命令[6]。

服务器主要包含数据采集模块、数据库管理模块环境数据分析模块、规则联动模块。服务器软件使用Java语言编写，服务器被启动之后，可对接收端口进行监听，一旦接收到客户端的连接请求，服务器将启动线程对客户端上报的环境数据进行接收。模块接收、提取信息后，将其存入数据库，同时进行数据处理，以报表以及热力图的形式显示给客户。同时还可根据设计的规则，下发对应的控制指令，以改善环境。

环境系统平台通过服务器接收传感器上报的数据，如PM10，PM2.5，SO2，NOx，CO，O3，TVOC，H2S，HCl，NH3，Cl2等污染参数，可满足用户对复杂污染状况的监测需求，同时系统还可采集风速、风向、气压、温湿度等气象数据，将其作为环境监测原始数据，便于分析园区内的环境状态[7]。

1.3 Web应用功能的实现

本监控系统采用Web页面的方式展示环境监控结果。Web页面使用HTML5、CSS3、JavaScript以及jQuery开发，通过Ajax技术调用服务端接口，得到环境数据，并将数据解析后通过图表等形式展示[6]。

基于技术框架，将常用的任务和业务进行抽象化处理，形成通用方案，以避免大量的重复劳动。技术框架的出现缩短了开发周期，降低了开发成本，有助于任务逻辑的实现，能够大幅提高软件的质量[8]。

1.4 数据库的设计

由于需要将各区域的环境数据实时显示在平台，因此对环境数据的实时性要求较高，同时若要形成对环境的长期监测，则需要对一段时间的数据进行分析研究，并形成报表，所以还需设计实时数据库以及历史数据库。Redis是一款开源的内存数据库，可以存储系统平台需要实时显示的热点数据，可大幅提升实时数据查询速度，并可通过配置对已查询完的热点数据进行即查即删操作。

历史数据库采用传统MySQL关系型数据库，用于存储历史数据，也可通过MapReduce模型将环境数据分析结果存储在MySQL中，以提升报表查看性能，带给用户更好的使用体验。

1.5 GIS技术

地理信息系统（GIS）技术是近些年迅速发展的一门空间信息分析技术，其在资源与环境应用领域具有技术先导作用。GIS技术不仅可以有效管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，以提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持[9]。

2 环境系统实现

Web服务器部署在Tomcat中，连接传感器伺服。传感器伺服与Web服务器建立连接后可进行数据传输及通信。图3所示为传感器终端模块的硬件设备，包括传感器控制器及光照传感器模块。图4所示为系统平台开发界面。图5所示为Web服务器的日志。经测试，系统通信正常且能稳定获取环境数据，并可对区域内的环境数据进行及时处理与准确显示。

图3 传感器终端模块

图4 系统平台开发界面

图5 Web服务器的日志

传感器热力图界面如图6所示。传感器类型包括温度传感器、湿度传感器等，可选择最近一天查看环境热力图（热力图等级主要分为AQI优、AQI良、AQI轻度污染、AQI中度污染以及AQI重度污染），热力图等级可以通过阈值设置来显示园区各区域的环境状况。

图6 传感器热力图界面

系统平台除了具有传感器数据以及管理应用功能之外，还具备LCD屏，可以通过平台制作节目功能制作节目，并通过TCP/IP协议将制作的节目内容发送给LCD屏，由LCD屏实时显示。LCD屏环境数据报表如图7所示，其为某一天之间的噪音、PM2.5、温度以及湿度，报表中显示的环境数据首先由传感器模块收集，然后由传感器控制器传输至上位机软件，并由上位机软件上报给服务器，服务器在接收到环境数据后，首先将数据存储至历史数据数据库中，然后系统再根据历史数据计算每一时刻监测区域的环境数据，并以报表的形式显示给用户，同时将制作的节目发布至LCD屏展示给用户。LCD屏与服务器之间采用TCP短链接，当监控系统制作完节目后，可发起连接请求，将节目发送到LCD屏，由LCD屏根据播放规则展示环境参数。

图8所示为存在传感器监测人流的报表数据，报表中显示存在传感器监测范围的名称、监测结果以及监测时间，便于用户获悉监测区域中出现人流的时间段，对环境进行改善。同时，在与路灯联动后，一旦传感器监测到人流或车流，可及时调整路灯光照度，达到节能的目的。