基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)實時環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

蘇世旭 ，肖彥均 ，郭永安

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003；2.江蘇南郵物聯(lián)網(wǎng)科技園有限公司，江蘇 南京210003）

基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)實時環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

蘇世旭1，2，肖彥均1，2，郭永安1，2

（1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003；2.江蘇南郵物聯(lián)網(wǎng)科技園有限公司，江蘇 南京210003）

針對我國目前環(huán)境污染日益加劇的問題，對將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域的可行性進(jìn)行了研究，介紹了目前智能環(huán)保領(lǐng)域研究的現(xiàn)狀，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了可以實時監(jiān)測多種環(huán)境指標(biāo)，并通過數(shù)據(jù)分析給出專業(yè)化應(yīng)對污染建議的監(jiān)控系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)控；數(shù)據(jù)分析；多指標(biāo)

1 引言

近年來，隨著我國環(huán)境污染的日益加劇，無論是政府還是普通民眾，對環(huán)境問題的重視程度都越來越高，對于環(huán)保與環(huán)境監(jiān)控問題的研究也越來越熱。且隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、無線通信等技術(shù)的快速發(fā)展，對環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)可以成為現(xiàn)實，然而，對于普通民眾來說，環(huán)境信息的獲取渠道卻十分狹隘，只有通過電視節(jié)目偶然的播報或訪問專門的政府部門網(wǎng)站才能獲取周邊的環(huán)境信息［1，2］。本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)實時環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是將多項環(huán)境指標(biāo)集于同一監(jiān)控系統(tǒng)，且通過傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)獲取實時環(huán)境數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在用戶面前，通過數(shù)據(jù)分析，給出合理的規(guī)避污染建議。該系統(tǒng)可以極大地方便用戶了解環(huán)境信息，推廣智能環(huán)保理念，政府部門也可以通過該系統(tǒng)分析處理大規(guī)模的環(huán)境質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，從而做到及時預(yù)警，最大程度降低對環(huán)境的危害，并跟蹤工業(yè)區(qū)污染過程，追溯污染源頭，方便環(huán)保部門管理整頓。

本設(shè)計將在指定環(huán)境監(jiān)測點布置環(huán)境監(jiān)測傳感器，采集空氣環(huán)境、重點污染源、輻射環(huán)境、汽車尾氣、危險廢物、飲用水6項指標(biāo)；搭建一個環(huán)境云平臺監(jiān)控服務(wù)器來存儲監(jiān)控數(shù)據(jù)；開發(fā)一款用戶移動設(shè)備端的Android應(yīng)用，實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器的訪問，并向用戶展示環(huán)境污染指標(biāo)，提出規(guī)避建議。利用該環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，既可以滿足普通用戶對環(huán)境信息的知情要求，又可以為環(huán)保部門提供實時的、可靠的、系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控平臺，為環(huán)保行政執(zhí)法提供信息化支持。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本文設(shè)計的多指標(biāo)實時環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用了物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計思想。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為環(huán)境感知層、異構(gòu)數(shù)據(jù)接入層、智慧網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、環(huán)保應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)分層設(shè)計

環(huán)境感知層主要通過布置在不同環(huán)境監(jiān)測點的環(huán)境傳感器，感知并采集環(huán)境污染數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了多種多樣的監(jiān)控傳感器，且其通信協(xié)議各不相同，異構(gòu)數(shù)據(jù)接入層負(fù)責(zé)屏蔽這些數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，并通過統(tǒng)一的通信協(xié)議將其接入網(wǎng)絡(luò)傳輸；智慧網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的主要功能為構(gòu)建環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器，存儲傳感器所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，并向上提供用戶接口，以便應(yīng)用層訪問；環(huán)保應(yīng)用層的任務(wù)是應(yīng)用開發(fā)，在該系統(tǒng)中將開發(fā)一款A(yù)ndroid應(yīng)用，查閱環(huán)境污染數(shù)據(jù)，給出規(guī)避污染建議。

同時，本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了6項監(jiān)控指標(biāo)，以體現(xiàn)系統(tǒng)的多指標(biāo)特性，包括：空氣環(huán)境、飲用水、重點污染源、輻射環(huán)境、汽車尾氣、危險廢物。

2.2 總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上設(shè)計思路，本文設(shè)計了如圖2所示的基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

智能環(huán)境指標(biāo)傳感器的多樣性是本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)多指標(biāo)特性的體現(xiàn)，不同的環(huán)境指標(biāo)也非常具有針對性。例如，其中空氣環(huán)境監(jiān)測主要布控在省內(nèi)各大城區(qū)，南京市分別在玄武區(qū)、建鄴區(qū)、棲霞區(qū)、江寧區(qū)布置了空氣環(huán)境傳感器；其他傳感器也與此類似地分布在江蘇省內(nèi)各監(jiān)控點。

然而，傳感器的多樣性也決定了其采集的數(shù)據(jù)具有多態(tài)性和異構(gòu)性，這要求在其上方的環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析提取能力，以屏蔽數(shù)據(jù)的多態(tài)性和異構(gòu)性［3，4］。同時，環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器還有用以存儲環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲模塊和用以用戶訪問、查看、下載的下行數(shù)據(jù)接口。

多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用軟件主要應(yīng)用在如今非常主流的Android平臺，實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問、下載，并提供數(shù)據(jù)查詢功能；該軟件還具有污染報警模塊，用戶可以設(shè)置添加關(guān)注地區(qū)某環(huán)境指標(biāo)，當(dāng)該指標(biāo)超值時，軟件會發(fā)送推送消息，通知用戶污染情況，并給出規(guī)避建議。

圖2 多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

3 智能環(huán)境指標(biāo)傳感器設(shè)計

作為環(huán)境感知層的具象化設(shè)計，智能環(huán)境指標(biāo)傳感器在設(shè)計上必須具有數(shù)據(jù)感知采集模塊以采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸模塊，將采集到的數(shù)據(jù)通過上行接口傳輸至環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器。其工作原理如圖3所示。

數(shù)據(jù)感知單元：接受數(shù)據(jù)采集控制單元的控制，利用包括空氣環(huán)境、危險廢物等6項指標(biāo)在內(nèi)的環(huán)境傳感器獲取所在地的環(huán)境信息參數(shù)。

數(shù)據(jù)采集管理控制單元：作為該智能環(huán)境指標(biāo)傳感器的控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制其他各單元提供相應(yīng)功能，通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳采集的健康數(shù)據(jù)，接受數(shù)據(jù)感知單元的信息上傳服務(wù)請求。

數(shù)據(jù)傳輸單元：負(fù)責(zé)通過GPRS的方式將該智能環(huán)境指標(biāo)傳感器采集到的健康數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)議編解碼單元。

協(xié)議編解碼單元：負(fù)責(zé)根據(jù)控制指令以約定協(xié)議對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行編解碼，接受通信單元的服務(wù)請求，將數(shù)據(jù)采集控制單元傳輸來的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行解碼；使用數(shù)據(jù)壓縮算法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析；使用設(shè)定加密算法，保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸安全。

數(shù)據(jù)交互控制單元：負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)其他各單元共同完成數(shù)據(jù)交互功能，環(huán)境數(shù)據(jù)接口向環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器發(fā)起數(shù)據(jù)交互服務(wù)請求，完成數(shù)據(jù)傳輸；控制協(xié)議編解碼單元對數(shù)據(jù)分組進(jìn)行編解碼。

環(huán)境數(shù)據(jù)接口：負(fù)責(zé)智能環(huán)境指標(biāo)傳感器與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器的信息交互，接受數(shù)據(jù)交互控制單元的服務(wù)請求，通過環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)接口完成數(shù)據(jù)交互，將處理的數(shù)據(jù)上傳到環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器；同時，將數(shù)據(jù)交互結(jié)果反饋給數(shù)據(jù)交互控制單元進(jìn)行后續(xù)處理。

圖3 智能環(huán)境指標(biāo)傳感器工作原理

4 多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用軟件設(shè)計

多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用軟件是環(huán)保應(yīng)用層的一個實例，應(yīng)用于主流的Android平臺，該軟件具備從環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器下載環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，并呈現(xiàn)給用戶的功能，其各模塊組成如圖4所示。

圖4 多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用模塊設(shè)計

環(huán)境數(shù)據(jù)接口：負(fù)責(zé)與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器交互信息；接受數(shù)據(jù)監(jiān)測控制單元的服務(wù)請求，完成數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳遞給調(diào)用者。

數(shù)據(jù)監(jiān)測控制單元：作為該應(yīng)用的控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制其他單元，提供相應(yīng)功能，通過環(huán)境數(shù)據(jù)接口與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器交互信息，接受數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單元的信息查閱請求、數(shù)據(jù)接收單元的信息下載請求和數(shù)據(jù)超出污染閾值時報警單元的啟用。

數(shù)據(jù)接收單元：負(fù)責(zé)通過數(shù)據(jù)監(jiān)測控制單元的控制與環(huán)境數(shù)據(jù)接口從環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器下載并保存各項環(huán)境指標(biāo)參數(shù)至本地終端，供用戶調(diào)用查看過往環(huán)境信息的記錄。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單元：負(fù)責(zé)提供各項環(huán)境信息的查詢調(diào)閱服務(wù)；接受數(shù)據(jù)監(jiān)測控制單元的管理控制，由數(shù)據(jù)監(jiān)測控制單元向環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送用戶的信息調(diào)閱請求，環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器通過環(huán)境數(shù)據(jù)接口返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，以供查閱；用戶利用數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單元能夠隨時隨地查詢監(jiān)測點的各項環(huán)境指數(shù)。

報警單元：接受數(shù)據(jù)監(jiān)測控制單元的控制，負(fù)責(zé)在環(huán)境信息指數(shù)超出閾值時推送污染指數(shù)信息給用戶，并給出專業(yè)化防污染建議。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，具有明顯的智能特性，該系統(tǒng)主要由智能環(huán)境指標(biāo)傳感器、環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器、多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用等部分組成，通過智能終端的環(huán)境感知能力獲取數(shù)據(jù)，通信上主要采用GPRS網(wǎng)絡(luò)上行傳輸至服務(wù)器，應(yīng)用層則在Android平臺具體實施。該系統(tǒng)不僅克服了現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)指標(biāo)單一化、智能性差、移動性差、實時性差等缺點，還通過具體實例化的應(yīng)用軟件為公眾關(guān)注環(huán)境污染信息提供了方便快捷的渠道，也為政府環(huán)保部門的環(huán)境預(yù)警、監(jiān)管、污染溯源提供了便利。

［1］程珊珊.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能環(huán)保感知技術(shù)分析 ［J］.硅谷，2013（13）：1，8.CHENG S S.Analysis of intelligent environmental protection technology based on internet of things［J］.Silicon Valley，2013（13）：1，8.

［2］呂春玲.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能環(huán)保系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.北方環(huán)境，2013（8）：107-109.LV C L.Things technology in smart environmental systems［J］.Inner Mongolia Environmental Sciences，2013（8）：107-109.

［3］齊丹.基于云計算的環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.天津：天津大學(xué)，2012：26-28.QI D.Design and implement of the internet of things for environmental protection on-line pollutant source monitoring and controlling system based on cloud computing ［D］.Tianjin：Tianjin University，2012：26-28.

［4］梓墨.智能環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)初探［J］.中國公共安全（綜合版），2011（5）：60-62，64.ZI M.Construction of intelligent environment protection system［J］.China Public Security，2011（5）：60-62，64.

Multi-index real time environment monitoring system based on IoT

SU Shixu1，2，XIAO Yanjun1，2，GUO Yong’an1，2
1.College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China 2.Jiangsu Nanyou IoT Science Park Co.，Ltd.，Nanjing 210003，China

In view of the growing problem of environmental pollution in our country，the research of the feasibility of the application of IoT in the field of environmental monitoring was focused.The present situation of research in the field of intelligent environmental protection was reported.An environmental monitoring system has been designed which can monitor a variety of environmental indices in real time，and some professional suggestions were given through data analysis.

IoT，environmental monitoring，data analysis，multi-index

TN99

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016033

2015-11-12；

2015-12-04

蘇世旭（1991-），男，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

肖彥均（1992-），男，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向為電子與通信工程。

郭永安（1981-），男，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院博士生，江蘇省無線通信重點實驗室工程師，主要研究方向為無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。