与物联网相连的环境监测系统研究

赵一瑾

（河北科技大学 澳联大信息工程学院，河北 石家庄 050000）

0 引 言

我国经济取得了腾飞式的发展，在国际经济舞台上的影响力越来越大，但随着经济的发展，环境污染方面问题的解决也迫在眉睫。调查发现，目前我国环境监测方面的信息化程度仍偏低，各地区环保系统功能良莠不齐，导致各地收集到的相关测试数据远不能满足我国环境保护工作发展的需要，而数据不能在各部门之间及时共享的主要原因是业务沟通不及时、服务不对外开放[1]。随着物联网技术的迅速发展，逐渐渗入各行各业，得到了极为广泛的应用，同时在环境监测方面也提供了大量的技术支持，为今后制定科学的环境监测措施提供了更加便利的条件，促进了环境监测的信息化发展。在环境监测中应用物联网技术，能够使检测得到的数据更加实时、准确、动态，且这一过程将会在实现环境监测的自动化、智能化和网络化后变得更加高效便捷，在一定程度上能够推动环境管理升级。在新时代背景下，将计算机物联网技术与环境监测进行有效联合使其发挥出更大的优势，是顺应时代发展的必然趋势，这将对环境监测行业的发展产生深远影响[2]。

环境监测的三种基础技术分别为：传感器技术、通信技术和计算机技术，能够各自分别有效地完成各种数据信息的采集、传输以及储存处理。近年来，传感器凭借其很强的经济性、稳定性，发展势头迅猛，而且在技术方面还具有很大的提升空间。国家工业技术和科技水平正在不断地大踏步迈进，电子技术、通信技术经历着日新月异的发展，新一代无线通信技术也在不断地蓬勃发展并大范围投入使用，我国的环境监测水平现在也已达到无线监测阶段。而随着移动互联网技术逐渐成熟，也使得环境监测数据资料的即时采集和传输变得更加便捷、实时、准确。

在当前高工业密度的现代化高速网络社会，需要尽可能快地改革当前已有的网络技术平台，使其具有科学化、规范化、标准化的特点，以便对当前环境监测领域物联网的相关技术、设备、系统进行部署、扩展和维护。各监测点实时数据可以通过物联网进行获取。监测设备通过基站上传监测数据至云服务器，而云服务器的主要优点是可以对收集到的数据进行分析和判断。下面就以基于物联网的新型环保监测系统为研究对象，分析探讨物联网通信技术在环境数据智能监测和集成分析应用过程中的关键技术问题。

1 空气污染监测现存问题

1.1 空气污染监测管理方面现存问题

空气中各类常规污染因子包括：可吸入颗粒物、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物。在监测空气质量的过程中，检测人员需要通过定时监测的方法来确定空气中的各种污染因子，以对当前大气质量标准有一定的了解和掌控[3]。

然而，在当前环境监测质量管理[4]中仍存在如下两大方面的问题：

（1）由于我国在环境科学技术工程监测领域和技术质量控制领域中缺乏相关手段，在实践中环境监测经历了长达数十年的艰苦摸索，最终才使得实验室部分系统使用的相关技术手段和方法体系变得较为合理、完善、先进。然而，由于目前环境监测技术改革牵涉到的行业面极深广，影响因素相对更加复杂，与当今其他仍快速运行的现场监测和不断深入扩展的各监测领域相比，质量控制管理与制度的创新改革发展仍然存在不够科学高效、快捷及时的短板，技术管理工作仍存在很多工作漏洞，影响了现场监测数据的准确性。与近年来我国对环境管理的法律法规的细化和监测技术的发展相比，在环境监测标准、技术规范和质控技术的发展方面都能发现明显的滞后，技术标准体系依然不够完备，制约着当前我国环境监测技术等各项工作业务的进一步有效开展。

（2）信息化应用程度不高。在我国这个信息建设的大时代，计算机相应的信息化管理技术和互联网技术日新月异，但把信息化建设平台较快速成熟地应用到空气质量管理工作中的情况却不是特别多。在进行环境质量监测工作时，因为技术不完善导致数据采集效率和准确度低，技术人员数据分析任务量大等问题使空气质量监测工作效率不够高、反馈问题不够及时，信息技术和计算机技术在环境质量分析和预警方面的应用仍有待发展。

1.2 其他导致空气污染监测问题的因素

中国地理形势较国外而言更为复杂，空气污染监测点位的定点布设首先要全面考虑到地理位置、地理环境条件与气候地势特征等多重因素，南北方区域地形地貌的重大差异使得空气中污染范围、污染物分布扩散规律存在着等级层次的差别。

人口密集程度对于空气污染的监测也有一定程度的影响，各地人口密度分布不均，空气污染监测点数量在人口密度大的区域和人口密度较低的地区存在一定差异。

系统自动化程度仍然处于低水平状态，我国现阶段的环保监测系统的功能方面依然很薄弱，没有与当前阶段迅速发展的人工智能等技术紧密联系，收集到的数据仍需要耗费大量人力资源认真处理。

从测控技术角度看，我国原有的一些环境监测仪器采集数据的误差大，引入计算机自动测量技术后测量实时性也并未明显提高，这些仪器的感知功能仍有一定的局限性，无法监测各种环境下的数据，在一些特殊或复杂的情况下不能发挥该仪器的特定作用。与此同时，测控的进行还受诸多因素的影响，例如温度会影响仪器的记录结果，不能确保数据的准确性；不仅如此，环境污染物种类对测控也会产生一定影响，以前的未知环境污染物在现阶段随着科技的不断发展越来越多地被发现，而仪器的感知功能单一，很难针对空气质量提供建设性的整改意见。

2 系统核心技术

2.1 物联网技术

物联网可以利用网络来进行传输互联，通俗来说就是物物相连的网络，它能够对物理世界进行感知识别，进行计算、处理和知识挖掘，进而对物理世界进行控制、管理和决策。采用视频感知、RFID技术以及生物、声学、光学、化学等方面的传感器采集信息，并通过可靠传输到达信息处理中心实现万物之间的信息交互和无缝连接，达到感知万物的最终目的。可将搭载此技术的基站覆盖全国范围内的空气监测最佳区域，将其建立在互联网上，利用传感器、射频识别等作为感知元件实现获取、分析和报告全国范围内空气质量变化情况，建立全国范围内的环境实时监测平台。

在本系统中，物联网架构的最底层为感知层，由各种在线检测仪器、空气质量传感器、传感器网络等组成，用于识别物体、采集信息[5]。在实际监测收集相关数据的过程中，被监测区域内散布着大量的传感器节点，需要将“点”转化为“面”，使测量数据更加全面。网络层处于整体架构的中间层，在感知层和应用层之间起到传递的作用，可以将收集到的数据高效率地输送到云计算数据中心，针对用户需求而设置的应用层则位于物联网架构的最顶层，是物联网和用户的接口，物联网的各个智能应用都受其支配。

2.2 传感器技术

从目前来看，传感器产业已被国内外研究人员高度关注，其拥有高技巧性、高渗透力、高市场涉及度、高经济效益等众多特点，是具有良好发展前景的新一代高技术产业。传感器以及能够检测、处理数据并联网的执行元件共同构成了一个最基本的传感器系统。整个信息系统结构的最前端设置为传感器，其硬件性能指标越好、传输与输出数据信息越可靠，测量结果越准确，测量系统整体在运行时工作状态越好[6]。

环境检测系统可设定温湿度、CO2浓度与光照多个技术参数，为此就要配备适宜的传感装置，完成终端信息采集，并且考虑到系统运转性能的问题，应当保障传感装置的信息采集精度与动作效率。

传感器网络不采用传统的互联网，一般情况下，传感器的网络链路层应用IEEE80.15.4，而网络层则应用UDP/ICMP，应用层采用ZigBee，因为这一无线网络标准相比其他网络标准而言拥有更低能效、更低功率、更加可靠的优点。

传感装置节点的耗能模块有无线通信以及处理器等。一般情况下，传感装置节点把1 bit数据传送到距离自身100 m的地方，会消耗掉如同实施3 000条计算指令时的能量，所以与通信需要的能量比较，传感装置采集数据时消耗的能量极少[7]。

2.3 嵌入式系统

嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、外围硬件设备以及用户的应用程序等组成了嵌入式系统。嵌入式系统顾名思义就是完全嵌入受控器件内部的专用计算机系统，有以应用为中心、软硬件可裁剪的特点[8]。嵌入式系统可以实现对其他设备的监视（Monitor）、控制（Control）及管理（Management）等功能。本系统实现重点区域的SO、NOX、CO、PM10、粉尘浓度、风速等各类环境数据的监测是通过MQTT协议[9]、JAVA 技术以及 MySQL数据库等技术的功能和特点来完成的，同时需要完成的任务还有现场情况的采集、整理、分析工作。

本系统选择433 MHz无线信号将终端节点和主机连接起来，支持实时通信。通过对相关方面的探究，建议选择RF集成芯片，即CC1101，其运行功耗极少，且不足1 GHz的射频发射装置，应用性能较佳，能完成数据包处理、获取信号强弱数据、信道性能评估、数据缓冲与链路品质指示等。

2.4 硬件与软件设计

在软件技术方面，本环境监测系统为基于互联网的信息系统，主要采用现已在业界内被广泛关注的三层式（3-tier）架构来进行设计开发。在考虑松耦合和高类聚等功能特点的情况下，由用户界面层、数据处理层、数据提取层这三个系统功能层次组成了整个系统的主要架构。各个系统功能层次既能独立实现自己的主要功能，又能在完成系统最主要功能的同时在系统之间建立联系。

用户界面层是监测人员接收监控数据的重要平台之一，囊括整个系统数据的显示播放等交互功能，且可以为特定的用户群体提供特定的服务。数据处理层是系统的中枢神经，其关键性技术在于识读器传感网络，必须具备灵敏度高、能耗低的优点。数据提取层在本物联网系统中起着不可忽视的作用，其担负着信息传输的作用，主要负责处理各类数据之间的来源问题，与此同时，可以让不同区域不同环境下的空气监测数据进行互通，意义重大。

在硬件技术方面，本系统中的所有硬件设备均可通过网络与系统后台的控制中心相连，最终连接到各个前置机。硬件结构的组成包含三个主要环节：感知、传输和处理。首先感知环节包含传感器的部署、数据收集和处理技术。本系统所设立的基站均应用GSM协议与前置机通信，并通过网络将收集到的数据进行简单处理后发回到系统后台的处理中心。在主机外围还增加一定数量的外围设备，具体包括：串行FLASH，其可保存系统启动代码以及部分界面图像；UART的调试模块，负责系统用户测试和交互通信。

通过完善系统外围接口，提高检测系统运行及使用的灵活度，丰富接口数量。其次在传输阶段，需要利用基础核心网络技术，本地监控系统以LSC服务器为核心，与远端服务器进行交换需通过TCPIT完成，以此实现数据的高效传输。最后在处理阶段，需要面对数据量纷乱且复杂的问题，提高操作人员的数据处理能力已然成为当前首要解决的问题；另一方面高效的数据计算处理分析平台也应被合理应用，以提高数据综合分析的效率，本系统将应用云计算来处理数据。

3 实际社会意义

环境污染问题关系着人类健康的同时也关系着社会的稳定。近年来，我国的大气环境质量问题受到了社会各界的重视，有关PM2.5的污染问题成为了社会热点。PM2.5的浓度监测及数据分析都离不开环境监测设备，而数据能够及时有效地被处理也是公布和预测污染物浓度的关键。环境监测系统是一种动态系统，由监测对象和监测手段两部分组成，采用定性定量的系统分析以及各种方法、技术对环境中的组成成分及污染物进行检测和监控。以环境为对象，旨在掌握其内在变化规律，将其作为环境保护的基本信息来源。环境监测系统能准确全面地反映环境质量的信息和污染问题发展趋势，通过环境监测获得的数据可切实可行地为环境管理、环境规划、污染防治和制定相应的环境监察制度提供依据，环境监测所获得的信息还可为污染物排放标准规定和环境法制定提供一定的依据，是环境保护工作的关键。

全球物联网在环保产业上的应用仍处于初步发展阶段，随着技术的发展以及各国对环保产业的重视，已渐渐形成初步格局。本文的大气监测设备应用传感器技术、嵌入式技术和计算机技术等高端技术进行有关大气污染物质的相关检测工作，采集了二氧化碳、PM10等污染物浓度以及粉尘浓度在大气中的数值变化，得到并分析了相关地区大气污染的状况，可为环境规划决策、环境指标考核和环境工程验收服务等环保工作提供相应的科学数据或发挥监督的职能。

4 结 语

环境科学家曲格平说过一句话：“唯有变革才能拯救人类的命运，也唯有变革，才能使我们的子孙后代世世代代生存下去。”里面的“变革”就是指环保。有效管理环境数据，实时分析环境变化，已成为当前环境监测过程中的首要任务。在科技领域，有关环境检测的科学技术手段和设备的发展与发明取得了长足的进步。本文的监测设备利用新的科学技术手段为大气环境质量监测工作提供了坚实的保障，有效提高了环境监测数据采集的及时性、准确性、有效性，通过系统全面地提供相关环境信息数据，可帮助提升有关环保部门的工作效率，为大气环境监测事业的发展和环保事业做出了不可忽视的贡献。持续长效地发展面向环境保护的物联网，是一项惠国惠民的工程，这对我国环境监测和治理必将产生远大的正面影响[10]。