城市公园环境监测预警系统的设计与实现

米西峰，郭天一，靳继红

（焦作师范高等专科学校，河南 焦作 454000）

0 引言

公园是城市的一张绿色名片，其生态建设水平和质量不仅体现了城市的环境绿化水平，同时也对城市生态环境建设、社会经济发展、城市居民生活品质的提高起着极其重要的作用。

目前的城市公园生态建设往往依据传统的经验，种植一些绿色长青树木，在池塘湖泊里养一些鱼类，公园的空气质量主要依靠自身的树木花草来调节，这些远远没有挖掘出公园的巨大潜力，也无法很好地实施公园的生态建设。另外，公众在享受公园优美环境的同时，一些游客也给公园的环境管理带来了一些负面影响：损坏花草树木、污染湖泊池塘、随意丢弃垃圾等，这些行为不仅破坏了公园的生态环境，也给管理人员增加了清理的负担。如何实现公园生态环境的智能化管理成为摆在管理人员面前的一道难题。

本文基于目前城市公园生态环境现状，利用物联网、Zigbee（紫蜂）等技术开发一个环境监测预警系统，该系统可以实时采集公园监测区域内的环境信息，利用数据分析与挖掘技术对环境参数进行分析处理，且当环境参数异常时可以进行预警处理，不仅可以为城市公园后续的生态环境建设提供可靠的数据信息，而且可以使公园的自动化管理水平得到进一步提高，体现了城市公园建设的智能化、绿色化，同时也节省了人力资源，为有关部门进一步加强生态建设的举措提供了建议及相应的数据支持。

1 物联网在生态环境监测中的研究现状

环境监测是环境保护的前提，因此，国内许多专家对物联网在生态环境监测方面做了一些研究，并取得了一些阶段性进展。魏东在文献［1］中，提出为了了解生态环境质量现状，评估其对生态系统与人民健康水平的影响，将物联网技术应用于煤电基地生态环境监测，改善了现有监测技术自动化水平较低、成本较高、时空覆盖面较低等问题。刘维栋在文献［2］中，提出为了给青海省生态系统的各项服务提供科学量化指标，采用物联网技术，形成天空地人一体化林业生态监测体系，为青海省生态立省战略的实施提供了科学依据。

在河南省内，对物联网在生态领域的监测研究较少且大多是针对某些特定应用而设计的监测系统，对公园这种比较复杂的环境区域的监测系统的有效研究则极为稀少。陈冬勤在文献［3］中，提出利用物联网及大数据技术，将航空遥感监测技术与地面监测手段相结合，设计了天地一体化的环保监管系统，达到对高速公路建设期环境保护实时动态监管的目的。杨晓在文献［4］中，提出利用物联网等技术，以省内某合作社为对象，设计并实现了基于物联网的果品生产环境监测和果品质量溯源系统。张帅亮在文献［5］中，提出采用物联网技术设计用于作物生长环境监测的系统，可实现作物生长环境信息的采集并实时显示。

物联网技术已经广泛应用在煤电、林业、高速公路建设、果品、作物生长等领域的数据监测中。而对于复杂的城市公园生态环境监测参数极少，而且多采用传统的分区域、分时段、选取样品的传统人工监测方式，费时费力，监测数据不连续不全面。目前，物联网技术在城市公园生态建设的应用还有很大的研究空间。

2 基于物联网开发生态环境监测预警系统

物联网就是把所有物体通过射频识别等信息传感设备和互联网连接起来，实现智能化识别和管理[6]。目前，物联网技术已经广泛地应用在智慧农业、智能交通、智慧医疗、智慧环境等领域。

物联网结构复杂、形式多样、应用广泛，根据信息采集、传输和处理的原则，物联网的体系架构可以分为三层：感知层、网络层和应用层。其中，感知层是物联网中最基础的一层，负责识别物体和采集数据，获取环境状态、行为态势等静态或动态信息。网络层负责把感知层采集的信息可靠传输到应用层，是感知层和应用层之间进行信息通信的保障。应用层通过处理感知信息，为用户提供多种应用服务。因此，应用层包括应用支撑子层和应用子层。应用支撑子层负责提供数据处理、共享以及互通等通用基础服务；应用子层在应用支撑子层的基础上，实现物联网在不同领域的各种具体应用。

综上所述，将物联网技术应用在公园生态建设方面，设计环境监测预警系统，也需要从感知层、网络层和应用层三个层面进行设计。

首先设计感知层。在城市公园中布置一系列传感器，利用这些传感器采集公园的环境参数：温度、湿度、光照度、噪声、水位、水温等，并将采集的信息进行汇总；同时，在监测区域中部署相应的执行设备（如：加热器等）。

其次设计网络层。网络层主要利用无线网络将采集到的数据传输到控制中心的上位机上和云平台上。

再次设计应用层。在控制中心的计算机上对接收到的环境参数进行存储、显示，而且还可以将采集数据传输至云平台以实现信息的共享和互通。这些数据信息一方面可以为后续城市公园的环境保护、物种选择和植被覆盖等生态建设提供数据依据，另一方面当某项环境参数出现异常时（比如池塘的水温过高），控制中心可以及时将该情况告知管理人员，并且能够自动或者手动开启相应的执行设备去解决问题。

根据以上的分析及设计思路，基于物联网技术的城市公园生态环境监测预警系统的整体架构图如图1所示：

图1 系统整体结构图

在图1中，感知层根据公园面积可以部署多个无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）监测区域，在每个监测区域中，各个传感器节点负责采集环境参数，并通过路由节点传送给协调器节点进行信息汇总，各个节点之间遵循Zigbee协议自组建无线传感器网络。考虑到公园面积一般比较大，Zigbee的拓扑结构采用星型结构。

网络层利用现有的无线传输技术（如Wi-Fi）等将感知信息可靠传输至主控中心的上位机和云平台上。

在应用层，上位机上可设计一款控制软件用于实现对感知数据的处理及显示，并存储于信息存储数据库中；云平台上的数据信息可以在需要时利用手机App等设备进行查询或下载。同时，利用专家系统指导城市公园后续的生态环境建设。上位机和云平台还可以根据当前采集数据与预先设置的阈值之间的差异，控制感知层的执行设备进行相应操作，达到调整环境状态的目的。

3 系统模拟及分析

在笔者学校的实验室对基于物联网的生态监测预警方法进行了模拟。

首先利用传感器、路由器等设备搭建硬件平台，然后，在计算机上通过Visual Studio 2017软件，使用C#语言编写了主控软件。软件功能包括：管理员登录、实时环境参数监测、历史记录查询三项功能。其中，管理员登录界面如图2所示。

图2 管理员登录界面

在图2的管理员登录界面输入正确的用户名和密码，点击“登录”按钮，即可跳转到“生态环境监测”界面，如3所示。“生态环境监测”界面包括实时环境参数监测和历史记录查询功能。

图3 生态环境监测界面

点击“实时环境参数监测”按钮，可以实时采集实验室的环境参数，并将数据信息存储于数据库中，用于查询以及作为公园环境建设的数据来源。某个时刻采集到的实验室的环境参数如图4所示：

图4 某时刻采集的环境参数

如图4中所示，系统自动地采集一系列环境参数，并将数据传输到计算机的主控软件上，进行显示和存储。在该界面上，还可以设置温度的界限值（比如，图4中设置为26℃），而监测到的当前环境温度为27.8℃，已经超过了温度的阈值，此时，系统会显示警示语“温度高，请采取降温措施！”。

点击“历史记录查询”按钮，可以查询数据库中存储的环境参数信息。某个时刻查询的数据信息如图5所示：

图5 某时刻查询历史记录

经过上述实验，可以验证该环境监测预警系统的可用性。另外，该系统具有良好的可扩展性和可移植性，可以根据实际场景需要增删所需监测参数，以及增删监测参数的阈值信息设置功能等。

4 结语

工业经济的发展，使生态环境遭到了前所未有的破坏。为了践行“绿水青山就是金山银山”的生态理念，建设生态城市已刻不容缓，而公园作为城市的名片，其生态建设必然是重中之重。在此背景下，本文提出了一种基于物联网的城市公园生态环境监测预警方法。通过将物联网技术应用于城市公园生态环境监测方面，实现了对温度、湿度、光照度、空气质量等环境参数的采集、传输、存储与显示等功能，改善了传统环境监测方法无法全方位不间断采集的弊端。本文设计的生态环境监测预警系统部署容易，成本不高，并且不需要太多的人力，适合城市公园生态环境监测领域；另外，该系统可以进行扩展和移植，若更换采集节点的传感器类型，还可将该方法应用于其他领域，如公园的水质监测、沙漠绿植研究等方面。