基于IoT的污染監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現

包子建

摘要：為了讓企業(yè)和環(huán)境保護監(jiān)督管理部門及時了解工業(yè)園區(qū)的環(huán)境污染狀況，實現污染排放控制過程和范圍的在線定量跟蹤，進一步為企業(yè)和環(huán)境保護監(jiān)督管理部門制定污染源管理和治理方案提供可靠的數據信息和科學的輔助管理決策，設計和開發(fā)了基于物聯(lián)網的工業(yè)園區(qū)污染源在線監(jiān)測該系。該系統(tǒng)能夠及時、準確地監(jiān)測環(huán)境質量，彌補了當前宏觀環(huán)境監(jiān)測的不足，為有效控制污染、解決環(huán)境問題提供了有力的參考。

關鍵詞：物聯(lián)網；污染監(jiān)測；環(huán)境質量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0255-02

隨著經濟的快速發(fā)展，污染源的類型日益增多，尤其在化工區(qū)、工業(yè)集中區(qū)和周邊環(huán)境。污染類型和生態(tài)破壞日趨復雜，環(huán)境污染負荷不斷增加，環(huán)境污染事故時有發(fā)生。同時，隨著公眾環(huán)境意識的逐步提高，各種環(huán)境污染投訴和糾紛日益頻繁，環(huán)境監(jiān)測的類型和要求也越來越高。本系統(tǒng)通過在工業(yè)園中放置感知節(jié)點來收集數據，將分析結果顯示在PC機和手持終端上，它可以查看各種污染源的指標和歷史記錄。當污染物指數超過一定值時，可以使用移動APP進行預警。工業(yè)園區(qū)職工和周圍的居民也可以登錄手持終端查看當天的健康信息，以便及時應對當天的環(huán)境狀況，提高健康意識水平。

1 系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)采用高精度傳感器對工業(yè)園區(qū)污染源中的PM2.5、SO2、CO等有害氣體進行監(jiān)測。根據不同的網絡接入點，包括Wi-Fi網絡接入點和GPRS網絡接入點，實現網關數據交叉處理，以便在新的工業(yè)園區(qū)網絡環(huán)境中實現異構網絡之間的友好數據交互。實時發(fā)布的信息通過網絡與第三層客戶端連接?？蛻舳薖C或移動手持客戶端可以通過瀏覽器或手持APP查詢獲取污染指數數據。

該系統(tǒng)主要由污染源感知節(jié)點、網關節(jié)點、PC終端、手持終端等部分組成。選擇Wi-Fi網絡、GPRS等網絡通信方式構成系統(tǒng)的感知節(jié)點網絡，感知節(jié)點通過網關節(jié)點與現有以太網連接。傳感器節(jié)點實時采集污染源數據，同時對隱私數據進行可配置的預處理和加密。然后，處理后的數據通過無線網絡直接發(fā)送到網關節(jié)點。網關節(jié)點收到數據后，立即轉發(fā)給監(jiān)控終端。監(jiān)控終端對數據進行分類，并將其存儲在數據庫中。然后，監(jiān)測終端將數據庫中存儲的污染源信息發(fā)送給移動智能終端和PC智能終端，將信息顯示給政府部門、工業(yè)園區(qū)工作人員和工業(yè)園區(qū)周圍的市民。一旦監(jiān)測終端監(jiān)測到預警信號，則將預警信號推送到移動智能終端和PC智能終端，提醒用戶關注當前環(huán)境。

該系統(tǒng)分為三層：感知層、傳輸層和應用層。感知層作為底層，在環(huán)境監(jiān)測設計中尤為重要。由于各種傳感器的數據輸出形式不同，采用相同的通信協(xié)議很難實現理想的數據采集。該系統(tǒng)利用單片機采集不同類型傳感器的輸入信號，并將其轉換為統(tǒng)一的數據格式，從而采集轉換后監(jiān)測到的污染源數據，將其發(fā)送到數據處理服務平臺。傳輸層包括GPRS網絡和WiFi網絡，能夠快速、實時、有效地傳輸大容量數據，能夠降低成本，提高資源利用率?？刂茖影〝祿幚矸掌脚_、移動終端、PC終端和集成應用數據庫，通過與數據處理服務平臺的通信，將數據直觀地顯示給用戶。此外，還將進行實時監(jiān)測數據分析、總量核算、源強度計算和源分析、趨勢排放監(jiān)測和預警、污染源擴散預測和分析。同時，可以通過污染源跟蹤服務云查看歷史記錄和分析數據。跟蹤服務云還可以實現監(jiān)控設備的自動校準，提高數據的準確性。

2系統(tǒng)實現

2.1 硬件實現

2.1.1 CO傳感器模塊

該系統(tǒng)采用的CO傳感器為MQ-9氣體傳感器，所用的氣敏材料為二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中具有低電導率。采用高低溫循環(huán)檢測法，在低溫（1.5V加熱）下檢測一氧化碳。傳感器的電導率隨著空氣中一氧化碳濃度的增加而增加，并且在高溫（5.0V加熱）下檢測到甲烷和丙烷并對低溫吸附的雜散氣體加以凈化。利用簡單的電路，可以將電導率的變化轉換為對應于氣體濃度的輸出信號。MQ-9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷和液化氣具有較高的靈敏度?？蓹z測多種一氧化碳氣體和易燃性氣體，它是一種適用于許多應用的低成本傳感器。

2.1.2 甲醛傳感器模塊

該電化學甲醛傳感器能夠滿足一般檢測的要求，具有體積小、監(jiān)測速度快、價格低廉等優(yōu)點。由電化學甲醛傳感器采集的信號經放大后以16位精度送至AD7689，模擬信號被轉換成數字信號，然后AD7689通過SPI串行通信接口將數據傳送給處理器進行計算和處理，從而得到環(huán)境中甲醛的濃度值。

2.1.3 PM2.5傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的PM2.5傳感器是夏普光學傳感器，對香煙煙霧等細小顆粒物的檢測效果顯著，是一種常用的空氣凈化系統(tǒng)。在該裝置中，紅外發(fā)光二極管和光電晶體管成對角線布置，以允許它們檢測空氣中的灰塵反射光。該傳感器具有非常低的電流消耗（最高20mA，典型11mA），并且可以承載高達7VDC傳感器。輸出電壓與測量粉塵濃度成正比，靈敏度為0.5V/0.1mg/m3。它具有測試精度高（16路可細分）、性能穩(wěn)定、響應時間快、攜帶方便、操作方便等特點，為傳感器節(jié)點監(jiān)測粉塵含量提供了有力的保證。

2.1.4 數據通信模塊

與常用的GPS模塊和GPRS模塊分離定位系統(tǒng)不同的是，本系統(tǒng)采用SIM公司的3G/HSDPA模塊SIM5320。SIM5320內置GPS和A-GPS，提高了系統(tǒng)的可靠性。該模塊采用小尺寸、薄厚度的SMT封裝，減小了PCB設計的尺寸。STM32F103單片機通過串行通信與SIM5320模塊進行數據傳輸，采用標準AT命令控制GSM模塊，實現各種無線通信功能。

2.2 軟件實現

2.2.1 污染源監(jiān)測終端軟件

污染源監(jiān)測終端的工作流程是：首先進行硬件初始化，對每個傳感器模塊的數據進行初始化；然后進行WIFI協(xié)議棧初始化；執(zhí)行協(xié)議棧的入口函數和硬件配置函數；為掌握污染源物質動態(tài)走向和排放量，實時采集污染源數據，并通過特定的網絡發(fā)送到網關。

2.2.2 網關軟件

網關節(jié)點的工作流程是：向網關節(jié)點供電后，首先初始化硬件電路，轉換異構網絡接入點的電源管理部分的電壓，初始化主處理器的外部驅動電路，然后初始化網絡配置，建立或加入相應的網絡。在每個網絡的接入點完成初始化網絡的任務后，開始執(zhí)行任務調度。該算法對每個網絡模塊的數據進行實時處理，對從不同網絡獲取的數據包進行解析，對數據包的源節(jié)點、數據內容和目標節(jié)點進行解析，并進行轉發(fā)。

2.2.3 PC監(jiān)控端軟件

該系統(tǒng)提供了一個基于B/S結構的PC監(jiān)控終端?；贐/S的架構具備無須安裝任何軟件即可操作的優(yōu)點，它可以更好地面向工廠工人、工廠附近的居民和高級管理人員，使操作更加方便。由于系統(tǒng)強調實時監(jiān)控數據，所以B/S結構可以及時響應客戶請求，快速反饋數據，減輕了客戶端機器負擔。此外，B/S架構的維護和升級非常簡單，可以減少開發(fā)和使用的成本，提供更多的選擇。PC監(jiān)控端軟件使用Python語言和Django框架開發(fā)網頁。通過HTTP服務器與Microsoft SQL Server數據庫連接，實現信息交互，從而獲得硬件終端采集的海量數據。

2.2.4 Android端軟件

該系統(tǒng)的移動客戶端是在Android平臺上開發(fā)的，采用Java作為開發(fā)語言，Eclipse作為開發(fā)工具，通過GET/POST請求，JSON作為通信交換格式和服務器端進行通信。通過HTTP連接Android平臺客戶端程序和服務器，實現與JSON協(xié)議的交互信息和數據通信，速度更快，可被更多的用戶和設備使用。JSON是一種輕量級的數據交換格式，提供了一種獨立于軟件和硬件的數據共享方法。同時，JSON作為一種數據包格式具有更高的效率，從而在相同的數據流量下降低網絡的傳輸壓力。

2.2.5 服務器數據采集與服務平臺

智能終端通過數據采集服務進行數據采集和存儲。數據采集與存儲、數據網絡傳輸、數據集成與處理等功能是基于Web Access技術的，它提供了與外界的接口，形成了數據采集與服務平臺。數據采集業(yè)務采用通用網絡傳輸協(xié)議HTTP與智能終端進行通信。多通道數據采集也可以根據需要通過數據集成和處理服務進行處理。數據庫是各種服務之間數據共享的基礎。智能終端采集的數據可以直接存儲在服務器（原始數據）中或通過網絡轉發(fā)，用于遠程實時顯示和觀察，并且可以根據用戶的需要通過數據集成和處理服務方便地集成到其他平臺中。本系統(tǒng)通過Web Access技術，將數據采集、數據網絡傳輸和數據集成預處理功能集成到移動手持終端應用開發(fā)平臺的服務接口中，用于搜索、發(fā)現和調用服務，從而實現移動終端和PC終端的各種功能。在信息加工和處理部分，通過查詢接口調用自動監(jiān)測儀器的實時數據和歷史數據，查詢各指標的小時、日、月、年平均值，查詢各種污染指標、質量等級和條件。通過圖形顯示，移動手持終端可以實時顯示污染源的位置和實時變化的數據、污染指數、超標報警等。

3 結語

該系統(tǒng)綜合了各種地理信息資源和環(huán)境保護業(yè)務數據，建立了工業(yè)園區(qū)的網格監(jiān)控系統(tǒng)，設置了多個監(jiān)控點，利用多種高精度傳感器采集數據，建立了統(tǒng)一的環(huán)境信息資源數據庫。實時存儲監(jiān)測數據，實現空間數據和動態(tài)監(jiān)測數據、動態(tài)監(jiān)測數據、政策法規(guī)數據等各種業(yè)務數據的無縫融合。增強了環(huán)境相關業(yè)務的管理能力，綜合管理和決策分析能力。

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【通聯(lián)編輯：梁書】