基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

汪先鋒

（山東省環(huán)境保護(hù)信息中心，濟(jì)南 250101）

引言

近年來，我國(guó)大力加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)中的信息化建設(shè)，在環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、污染源自動(dòng)監(jiān)控、環(huán)境應(yīng)急等方面做出了大量的探索和努力。隨著信息技術(shù)和環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)的深入整合和發(fā)展，我們研究和設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)總體架構(gòu)。該設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)“物物相連”的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備納入環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)與各類自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備之間能夠互相通信、相互協(xié)作，共同完成相關(guān)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)任務(wù)。如，在河流斷面自動(dòng)監(jiān)控體系中，通過與自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（或傳感器）之間相互協(xié)作，實(shí)時(shí)采集與傳輸自動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并對(duì)河流的上中下游相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性進(jìn)行檢查和判斷。采用代碼分發(fā)機(jī)制，通過主控制端向各數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)分發(fā)軟件升級(jí)程序，在最快、最安全的前提下，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1. 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控需要實(shí)現(xiàn)對(duì)本地區(qū)大范圍內(nèi)多級(jí)、多層次、多種類環(huán)境要素質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)的、實(shí)時(shí)的、全天候的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控這一特點(diǎn)，本文就基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集與傳輸，提出了設(shè)計(jì)允許多種類型環(huán)境要素自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和多類型環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器接入，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式、多協(xié)議多目標(biāo)數(shù)據(jù)通信的高可靠和安全可信的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)參照《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 212—2005）和《污染源在線自動(dòng)監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求》(HJ 477—2009)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)在傳統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的智能性和控制性，使數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳感器之間不僅可以通信，而且可以通過協(xié)作完成相關(guān)的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)。最終形成與各類污染源和環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)信息的采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、基礎(chǔ)應(yīng)用和綜合應(yīng)用等，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化和規(guī)范化。

2. 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)是硬件與軟件結(jié)合為一體的設(shè)備，通常簡(jiǎn)稱為“數(shù)采儀”。其必須要具備環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)的采集、實(shí)時(shí)在線通信、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、系統(tǒng)日志、設(shè)置等功能。同時(shí)還應(yīng)具有抗干擾能力強(qiáng)、停電自動(dòng)切換、來電自動(dòng)恢復(fù)、數(shù)據(jù)補(bǔ)傳、異常情況恢復(fù)后的自動(dòng)啟動(dòng)和復(fù)位等功能。

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)要能夠支持與各種自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器及系統(tǒng)的聯(lián)接，以便在不做任何改動(dòng)的情況下，可隨時(shí)增加監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的采集和存儲(chǔ)；具有任意通信協(xié)議的軟件編程功能，可以與任意監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行通信的協(xié)議，同時(shí)還能按用戶要求編制與上位機(jī)通信的協(xié)議，并能實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)支持多種通信方式（GPRS/EGPRS/CDMA，3G和各種有線網(wǎng)絡(luò)），可同時(shí)采用多路信號(hào)輸出，并可在不做任何改動(dòng)的情況下，同時(shí)使用兩種以上的通信方式，并能利用一種通信方式實(shí)現(xiàn)一數(shù)多發(fā)的功能，支持與多個(gè)環(huán)境監(jiān)控中心的聯(lián)接和通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

總體架構(gòu)與全國(guó)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)框架示意圖如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)與全國(guó)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)框架示意圖

3.實(shí)現(xiàn)流程與功能

在基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，可以把CEMS（廢氣在線連續(xù)監(jiān)測(cè)儀器）儀器，從企業(yè)的排污煙囪采集排放污染物的數(shù)據(jù)和儀器的工作狀態(tài)信息，由鍋爐運(yùn)行負(fù)荷采集裝置和室溫傳感器采集的鍋爐運(yùn)行負(fù)荷與室溫?cái)?shù)據(jù)，通過在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)配置的環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，接入互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)。廢水在線監(jiān)測(cè)儀器把廢水污染源的排放物的數(shù)據(jù)及該儀器的工作狀態(tài)信息，通過在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)配置的環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，接入互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)，傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。業(yè)務(wù)人員通過訪問監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，可以實(shí)時(shí)掌握和了解現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)可將監(jiān)控命令通過網(wǎng)絡(luò)傳到現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)儀器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器的遠(yuǎn)程控制。環(huán)保業(yè)務(wù)主管部門、各相關(guān)企業(yè)和公眾，可通過Internet訪問系統(tǒng)的Web服務(wù)器，根據(jù)不同的權(quán)限分類查看由市級(jí)監(jiān)控中心審核后發(fā)布的各類環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的通信示意圖

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集與傳輸

系統(tǒng)可同時(shí)向國(guó)家、省、市、縣環(huán)保業(yè)務(wù)部門和多級(jí)、多個(gè)環(huán)境監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)原始環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)某一點(diǎn)位自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，也就是說不管哪一級(jí)環(huán)境監(jiān)管部門、被監(jiān)控企業(yè)或公眾，在任何時(shí)間看到的某一點(diǎn)位環(huán)境數(shù)據(jù)，都是由該系統(tǒng)同時(shí)發(fā)布的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，這樣能夠確保數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)一源一數(shù)，一數(shù)多用。

2個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)之間能夠相互通信，組織成一個(gè)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該種互聯(lián)互通的體系結(jié)構(gòu)大大優(yōu)越于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠完成環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)多級(jí)傳輸，而且數(shù)據(jù)終端的智能化程度更高，它們之間可以通過自組網(wǎng)的形式協(xié)作完成一系列相關(guān)業(yè)務(wù)。

該系統(tǒng)相互通信及與環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系如圖4所示。

3.2 主要功能實(shí)現(xiàn)

以自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、智能數(shù)據(jù)傳輸和精確流程控制為重點(diǎn)，突出“一點(diǎn)多發(fā)、自動(dòng)補(bǔ)發(fā)、WEB發(fā)布”等特點(diǎn)和功能，展現(xiàn)該系統(tǒng)的智能化和一體化，充分發(fā)揮與環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控體系充分融合的最大效益。

3.2.1 Internet直接訪問

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能夠向國(guó)家、省、市、縣四級(jí)環(huán)境監(jiān)控中心傳輸實(shí)時(shí)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)用戶通過Internet登錄環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控管理系統(tǒng)，查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)用戶直接登錄服務(wù)器查看原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。管理員用戶可通過Internet可以直接訪問數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，查看數(shù)據(jù)采集與傳輸狀態(tài)，制訂修訂數(shù)據(jù)采集與傳輸策略，掌握和控制自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.2 協(xié)作檢查

在指定的兩臺(tái)數(shù)據(jù)采集與傳輸儀之間通信協(xié)作，可完成區(qū)域內(nèi)氣體總排放量計(jì)算與數(shù)據(jù)不一致性檢查等功能。

3.2.2.1 計(jì)算城市區(qū)域內(nèi)的氣體總排放量

在通信協(xié)作情況下，各個(gè)數(shù)據(jù)采集與傳輸儀都具有計(jì)算能力，各自的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)不必上傳到環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控中心平臺(tái)。系統(tǒng)對(duì)某個(gè)特定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與傳輸，能通過自身的計(jì)算能力，相互協(xié)作統(tǒng)計(jì)出本區(qū)域的環(huán)境污染狀況（比如大氣排放狀況），能夠減輕環(huán)境監(jiān)控中心的計(jì)算負(fù)載，也使得環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)更加科學(xué)。

3.2.2.2河流的上、中、下游數(shù)據(jù)不一致性檢查

由于各個(gè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)之間能夠互聯(lián)互通，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過接力的方式相互傳輸。某個(gè)河流上、中、下游都安裝部署了數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，上游的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)將其環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞到中游的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，中游的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)接收到上游的數(shù)據(jù)之后，自身進(jìn)行迅速比對(duì)，可以迅速發(fā)現(xiàn)水域污染警情，以防止重大污染事故和污染源的擴(kuò)散。

3.2.3 故障診斷

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)之間可以相互通信，相互感知相鄰節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)A無法正常向環(huán)境監(jiān)控中心上傳環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這時(shí)臨近的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)B就可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)包，探測(cè)A的狀態(tài)，以確定A的運(yùn)行與通信狀況。

3.2.4 軟件遠(yuǎn)程升級(jí)

采用代碼分發(fā)機(jī)制，向數(shù)據(jù)采集與傳輸終端分發(fā)智能升級(jí)程序?？梢蕴嵘蛢?yōu)化數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的智能性和可控性，可以遠(yuǎn)程向其注入軟件程序。由主控制節(jié)點(diǎn)分別向特定的節(jié)點(diǎn)分發(fā)升級(jí)程序，完成局部或所有數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)。

3.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)采用ColdFire MCF5272 的32位高性能嵌入式微處理器，內(nèi)存為64MB，系統(tǒng)閃存FLASH為8M，操作系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)的LINUX平臺(tái)，具有極高的系統(tǒng)可靠性與安全性，具有可編程功能，可實(shí)現(xiàn)智能多通信協(xié)議處理、組件式的監(jiān)測(cè)設(shè)備通信協(xié)議動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。采用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析，存儲(chǔ)空間能夠保存自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的12個(gè)月以上的歷史數(shù)據(jù)。

3.2.6 豐富的擴(kuò)展性

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)具有8路RS233/485數(shù)字接口、8路AI、8路DI/DO接口；一個(gè)以太網(wǎng)口、一個(gè)RJ45/USB調(diào)試口（均可擴(kuò)展）；全部采用表貼元器件和高可靠性接插件，四層板設(shè)計(jì)，有單獨(dú)的地層和電源層；采用主板和不同功能擴(kuò)展模塊壓縮到一個(gè)主模塊上的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單；接口全部隔離包含電源隔離、信號(hào)隔離（光耦）等；具有良好的電磁兼容性，防快速瞬變電脈沖群干擾、防靜電、 防輻射干擾、防浪涌干擾、防電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化干擾等。

圖4 系統(tǒng)相互通信及與環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系圖

3.2.7 自動(dòng)校驗(yàn)

采用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)處理所采集的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集時(shí)可自動(dòng)校驗(yàn)和分析、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并具有分析數(shù)據(jù)質(zhì)量碼的功能，可判斷所采集數(shù)據(jù)是正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)還是在設(shè)備校正、維修、清洗等狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集具有實(shí)時(shí)性，遙測(cè)傳送時(shí)間小于4秒，搖控指令從數(shù)據(jù)中心到采集裝置時(shí)間小于2秒。

3.2.8 多種通信與傳輸方式

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)將支持CDMA/GPRS/3G/ADSL/光纖寬帶/串口等無線和有線通信方式，能充分滿足用戶各種不同情況下的多種通信傳輸方式的要求。

支持所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)傳輸、采樣傳輸、召喚傳輸、透明傳輸?shù)葦?shù)據(jù)傳輸方式。具有數(shù)據(jù)多點(diǎn)發(fā)送功能，為在不同地點(diǎn)、不同終端提供同步、不同形式的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。具有可同時(shí)向最多達(dá)8個(gè)目標(biāo)IP地址（監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)補(bǔ)發(fā)和歷史數(shù)據(jù)召喚的功能，具有能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程反控和對(duì)時(shí)的功能。

3.2.9 支持多種通信協(xié)議

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)支持開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約IEC 60870-5-104、各行業(yè)和各生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)采集與傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.10 具有WEB發(fā)布功能

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)采用AppWeb作為嵌入式WEB服務(wù)器，使監(jiān)控人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控：最多支持8個(gè)通信點(diǎn)同時(shí)對(duì)1個(gè)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；對(duì)系統(tǒng)中所有模塊具有故障自動(dòng)診斷,自動(dòng)報(bào)告功能，可以采用手機(jī)短信及時(shí)通知最多32個(gè)相關(guān)人員。通過WEB就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和遙測(cè)、遙控操作。

3.2.11 可實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的上傳

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)視頻監(jiān)控接口能接入視頻裝置，可以看到監(jiān)測(cè)站點(diǎn)內(nèi)部、排污口、煙囪和城市空氣環(huán)境的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控畫面，每秒至少傳輸6幀畫面。

4. 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，具有明顯的智能特性，該系統(tǒng)不僅具有“一點(diǎn)多發(fā)、自動(dòng)補(bǔ)發(fā)、WEB發(fā)布”等特點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的遠(yuǎn)程可控性，相互之間的通信、協(xié)作能力能夠完成某些特定的環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控業(yè)務(wù)，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用效率。采用代碼分發(fā)機(jī)制，能夠快速安全地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸終端設(shè)備的遠(yuǎn)程升級(jí)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠充分保障環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有效采集與傳輸，為環(huán)境監(jiān)管奠定技術(shù)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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