環(huán)境監(jiān)測中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

李宇超 王超 董鵬輝

山東微譜檢測技術(shù)有限公司 山東濟(jì)南 250101

目前，我國已經(jīng)進(jìn)入了環(huán)境污染事件的高發(fā)期，相關(guān)事件層出不窮。近年來我國方式的環(huán)境污染事故呈波動上升趨勢。基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測平臺是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，常用技術(shù)包括傳感技術(shù)、RFID標(biāo)簽、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、Web 等，其中傳感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各監(jiān)測領(lǐng)域。本文將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，利用網(wǎng)絡(luò)以及傳感器技術(shù)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將其顯示在 Web 界面，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控和信息互享。用戶可在遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境的同時，采取相應(yīng)的措施改善環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的意義。

1 環(huán)境監(jiān)測工作的重要性

中國幅員遼闊，地域?qū)拸V，不同的地區(qū)存在的環(huán)境和氣候也不同。因此，在監(jiān)測的過程中，需要注重的環(huán)境監(jiān)測方向和存在的問題也各不相同。環(huán)境監(jiān)測站的構(gòu)建以及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的提升，對于環(huán)境保護(hù)工作具有十分重要的意義。基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，其包含物聯(lián)層、控制層業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)管理中心。物聯(lián)層包括傳感器伺服以及其他設(shè)備伺服，其中傳感器伺服包括傳感器終端模塊與上位機(jī)軟件，主要應(yīng)用傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至控制層，控制層對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，形成一定的報(bào)表數(shù)據(jù)并傳輸至業(yè)務(wù)層，最終通過接口顯示給用戶[1]。

2 傳感器伺服

傳感器伺服包括傳感器終端模塊以及上位機(jī)軟件。傳感器終端模塊包括傳感器控制器和多種傳感器模塊，其中傳感器控制器共有三種通信方式與上位機(jī)軟件交互，分別為以太網(wǎng)接口，GPRS接口，以及RS485接口。傳感器控制器與多種傳感器模塊的通信同時支持I2C，SPI，TTL串口，電流電壓模擬輸入接口。傳感器控制器的核心模塊為STM32F107RC，用于支持傳感器控制器與上位機(jī)軟件以及多種傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)交互。多種傳感器模塊包括光照度傳感器、粉塵傳感器、風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、噪聲傳感器、土壤含水量傳感器、CO2檢測模塊、CO檢測模塊、NH3檢測模塊、SO2檢測模塊、Cl2檢測模塊、HCl檢測模塊、H2S檢測模塊、NO2檢測模塊、VOC檢測模塊等，其中9種為氣體傳感器。上位機(jī)軟件基于Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要支持傳感器終端模塊與系統(tǒng)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。將傳感器數(shù)據(jù)接收并傳輸至服務(wù)器，同時將服務(wù)器相關(guān)指令傳輸至傳感器終端模塊[2]。

3 Web服務(wù)器功能的實(shí)現(xiàn)

Web服務(wù)器通過Tomcat部署，框架為SpringMVC。傳感器采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)中心交互，進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理后，通過頁面反饋給用戶進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)的安全采用授權(quán)方式保障，后臺提供Restful接口，返回的JSON格式數(shù)據(jù)供第三方調(diào)用。系統(tǒng)內(nèi)的終端設(shè)備通過UDP、TCP與Web服務(wù)器建立連接，可以上報(bào)數(shù)據(jù)以及接收控制命令。服務(wù)器主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊環(huán)境數(shù)據(jù)分析模塊、規(guī)則聯(lián)動模塊。服務(wù)器軟件使用Java語言編寫，服務(wù)器被啟動之后，可對接收端口進(jìn)行監(jiān)聽，一旦接收到客戶端的連接請求，服務(wù)器將啟動線程對客戶端上報(bào)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。模塊接收、提取信息后，將其存入數(shù)據(jù)庫，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以報(bào)表以及熱力圖的形式顯示給客戶。同時還可根據(jù)設(shè)計(jì)的規(guī)則，下發(fā)對應(yīng)的控制指令，以改善環(huán)境。環(huán)境系統(tǒng)平臺通過服務(wù)器接收傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)，如PM10，PM2.5，SO2，NOx，CO，O3，TVOC，H2S，HCl，NH3，Cl2等污染參數(shù)，可滿足用戶對復(fù)雜污染狀況的監(jiān)測需求，同時系統(tǒng)還可采集風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、溫濕度等氣象數(shù)據(jù)，將其作為環(huán)境監(jiān)測原始數(shù)據(jù)，便于分析園區(qū)內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)[3]。

4 Web應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)采用Web頁面的方式展示環(huán)境監(jiān)控結(jié)果。Web頁面使用HTML5、CSS3、JavaScript以及jQuery開發(fā)，通過Ajax技術(shù)調(diào)用服務(wù)端接口，得到環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解析后通過圖表等形式展示?；诩夹g(shù)框架，將常用的任務(wù)和業(yè)務(wù)進(jìn)行抽象化處理，形成通用方案，以避免大量的重復(fù)勞動。技術(shù)框架的出現(xiàn)縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，有助于任務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，能夠大幅提高軟件的質(zhì)量。

5 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

由于需要將各區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在平臺，因此對環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時性要求較高，同時若要形成對環(huán)境的長期監(jiān)測，則需要對一段時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，并形成報(bào)表，所以還需設(shè)計(jì)實(shí)時數(shù)據(jù)庫以及歷史數(shù)據(jù)庫。Redis是一款開源的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，可以存儲系統(tǒng)平臺需要實(shí)時顯示的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，可大幅提升實(shí)時數(shù)據(jù)查詢速度，并可通過配置對已查詢完的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行即查即刪操作。

6 GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)是近些年迅速發(fā)展的一門空間信息分析技術(shù)，其在資源與環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域具有技術(shù)先導(dǎo)作用。GIS技術(shù)不僅可以有效管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，對資源環(huán)境管理和實(shí)踐模式進(jìn)行快速和重復(fù)的分析測試便于制定決策、進(jìn)行科學(xué)和政策的標(biāo)準(zhǔn)評價，而且可以有效對多時期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，以提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

7 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用前景廣闊，尤其在改善環(huán)境以及節(jié)能方面將大有作為。相信在不遠(yuǎn)的未來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠更好地服務(wù)于環(huán)境保護(hù)事業(yè)。