基于物聯網的智能化環境監測系統研究平臺

摘 要：本文通過對重點污染源排放狀態的自動監控，及時、準確、全面地反映環境質量現狀及趨勢，為環境管理、污染源控制、環境規劃、環境評價提供客觀的科學依據，采用了計算機、通訊和自動化領域最新的產品和技術，從而構建新一代的污染源在線自動監測（監控）系統。

關鍵詞：物聯網；環境；檢測（監控）；平臺

哥本哈根氣候峰會在2009年12月舉行，許多國家希望達成一份具有約束力的二氧化碳減排協議。與此同時，各國都陸續將物聯網的建設上升到國家戰略的層面，旨在通過物聯網的應用實現節能減排，成就低碳經濟。物聯網作為低碳經濟革命的技術創新之一，是要在能源流的整個過程中提高能源生產率和降低二氧化碳的排放。低碳經濟社會的特點是要建立能源互聯網，使得不同形式、不同時空的能源可以得到聰明的使用。這既可以大幅度地減少能源消耗和二氧化碳排放，同時又可以大幅度地提高人們的生活質量和便利性。

1 系統總體設計

1.1 異構自組織無線傳感器網絡

擬采用三層架構：底層節點包括信息采集設備等；中間層由車載設備節點或多跳轉發設備構成；上層由位置固定的網關節點組成。

1.2 平面型環境監測氣體傳感器

氣體傳感器：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合，這也是氣體傳感器一直追求的目標。二是增強可靠性，實現元件和應用電路集成化，多功能化，發展MEMS技術，發展現場適用的變送器和智能型傳感器。

1.3 環境與氣象監測信息處理中心及通訊終端

監控中心采用標準的B/S系統架構，同時采用通用的軟、硬件產品，并規范數據存儲格式，使系統具有兼容性強、規模易擴展的特性。定制移動終端采用CPU+DSP核的硬件架構，可以實現高速的數據處理能力。豐富的外部接口和高亮度大屏幕，堅實的外殼能很好滿足特殊要求。終端采用VISION公司的VISION225+TI公司的OMAP5910構成的硬件平臺。

2 系統技術難點分析

基于物聯網的智能化環境監測系統主要研究的內容是異構自組織無線傳感器網絡與平面型環境監測氣體傳感器。

2.1 異構自組織無線傳感器網絡系統架構

信息采集節點：由傳感模塊和數據處理傳輸模塊組成，能夠自組織成無線網絡的節點。傳輸距離50-100米，功耗休眠期10mW，工作時間100mW，傳輸距離可擴展為500米，接口包括模擬4-20MA和RS485接口。車載節點和多跳轉發節點：是具有較強數據收集能力的中心節點，把傳感節點匯集來的數據進行接收和處理，傳輸距離500-1000米，功耗隨傳輸距離變化。網關節點：把車載節點和多跳轉發節點通過Internet轉發給中央控制系統，具有無線接入網絡和寬帶接入網絡功能。終端設備：是由能夠上網的PC、PDA或智能手機構成，實現遠程瀏覽。中央控制管理：通過節點收集的各類信息最終匯總到中央控制系統，自主設計開發的中央控制系統可以實現多方面的功能。監測區域的可視化展示：可以以三維立體的方式觀察到監測區域和各節點所處位置。數據分析處理：可實時顯示目前的狀態數據，并對歷史數據進行顯示、分析、繪圖和管理等操作。節點控制：可通過中控系統，實時查看各節點的工作狀態、路由信息，并對其進行控制。反饋控制：可通過系統預設的下行通道，對相應的設備發出指令，進行反饋控制。

2.2 電化學傳感器技術方案特點

化學氣體傳感器由貴金屬催化電極、鉑絲引線、氣體傳感器外殼、電解液及其它輔助材料組裝而成，所用材料中貴金屬催化電極、電解液為自加工配套生產，鉑絲引線、氣體傳感器外殼為外部購件。綜合運用了納米材料制備技術合成核心功能材料、采用催化劑表面修飾技術、傳感器表面選擇性介孔分子篩制造技術、機械片式高分子材料自動拉伸復合透氣膜制造技術、精密絲網印刷技術等先進技術，創新性強，技術含量高。

2.3 高效的數據鏈路層協議

基于各種特定應用環境特征（基于時間、空間特征和網絡、終端屬性）和規律，提取適用于資源極度受限條件下的微型特征庫。進一步根據環境特征動態協同調整數據傳輸策略，減少信號沖突，降低資源開銷。提出網絡自適應、協同動態感知環境上下文算法，基于上下文感知設計自適應優化MAC協議，提出適應于多信道多收發器（MIMO）的協作式MAC協議。

2.4 跨層優化設計

基于最優代理提供不同協議層之間信息的交換與控制的機制，以改善異構網絡，尤其是無線傳感器網絡的性能；基于信息返回的事件驅動模型和跨層數據共享與同步機制模型；定義新型可擴展的層間接口和各層之間的邊界，提出各層之間協同的聯合調度機制。

2.5 安全機制

基于多種異構網絡環境下（現有的安全機制），結合各子網絡的特征，在資源（如：電池能量、計算能力等）嚴重受限的情況下，研究多網絡協同的安全體系結構；在多種異構網絡環境下，研究以安全性為目標的新型路由機制；針對資源嚴重受限的異構網絡（傳感器網絡）環境，提出高效率的加密算法。

異構自組織無線傳感器網絡是一種低成本、低功耗、多跳、多頻、多點對多點通信的自組織的無線傳感網解決方案?？筛鶕煌男枨筇卣鞣譃樗姆N系列產品，可以廣泛應用于氣象與環境監測、建筑、礦山、倉儲、工業、農業、醫療、軍事等領域。

其中，A系產品是首要研發的基礎系列有功能全、功耗低等特點；D系和B系拓展A系產品的通信能力，在穩定性、距離和帶寬方面均有提高，其中D系側重距離，B系側重帶寬；C系產品是外掛通信模塊、自身只具有核心組網協議但運算速度很高系列產品，用于一些特殊應用場合。

3 系統硬件架構

定制移動終端采用CPU+DSP核的硬件架構，可以實現高速的數據處理能力。豐富的外部接口和高亮度大屏幕，堅實的外殼能很好滿足特殊要求。終端采用VISION公司的VISION225+TI公司的OMAP5910構成的硬件平臺。主處理器OMAP5910為ARM9內核心+DSP構架，運行操作系統和進行圖像，數據的處理，VISION225實現無線數據的傳輸通訊。軟件采用Windows Mobile 6.0操作系統。

4 系統主要研究目標

4.1 異構自組織無線傳感器網絡部分

選擇評估不同無線頻率的傳輸特性，測試抗干擾性指標和電磁兼容指標，確定異構自組織無線傳感器網絡中各設備的基本工作方式?；谧赃m應的拓撲結構和路由機制，在具有多種異構網絡的環境下實現零配置動態組網機制，設計異構網絡的拓撲管理和自動診斷與恢復機制，實現高容錯的特征并進行驗證?；谏舷挛母兄O計自適應的數據鏈路協議，基于跨層優化思想設計高效的路由協議，開發信息采集節點、信息發布節點、車載設備、轉發設備和網關節點，實現基本的網絡管理和路由。

4.2 平面型環境監測氣體傳感器部分

按照高精度、高敏感的要求，開發新型氣體傳感器，達到批量生產的工藝要求。檢測VOC的氣體傳感器，對甲苯，苯，丙酮檢測下限在1ppm以下；測硫化氫的氣體傳感器，其檢測下限在1ppm以下，而且響應恢復時間快，響應時間小于10秒， 恢復時間小于30秒；用于檢測二氧化氮的氣體傳感器，對二氧化氮有很高靈敏度，檢測下限在0.5ppm以下，而且元件功耗低，小于160毫瓦；用于檢測氟利昂的氣體傳感器，對氟利昂有高靈敏度，檢測下限在30ppm以下。

4.3 環境與氣象監測信息處理中心部分

對信息中心的技術平臺進行搭建；做出需求分析并完成信息中心的系統設計。完成信息中心進行代碼設計、編寫并進行整體的系統測試達到交付使用的目標。

5 系統實現的功能

⑴實現了環境監控網絡系列節點平臺，滿足小型化、低功耗、長距離通信和功能可擴展等實際應用需求。在節點小型化、低功耗設計上，采用軟硬件協同設計，合理利用處理器多種工作模式，采用片上系統（SOC），實現了系統功耗最低化；在長距離通信節點設計上，通過低噪放大器和功率放大器提高信號接收靈敏度和發送功率滿足長距離通信需求。

⑵實現了適用性強、低功耗、高連通度的異構自組織無線傳感器網絡路由協議，并針對節點定位需求，設計了盲節點定位方案。

基于跨層優化設計的協議，具有報文負載小、網絡通信量少、易于部署和維護等特點，很好地解決了安全監控系統的實際應用需求。

⑶實現了基于CDMA/GPRS/3G技術的遠程監控網絡，滿足安全監控系統的遠程實時監控需求。

同時，異構自組織無線傳感器網絡的不同系列產品還在此基礎上，有針對性地對實現性能的進一步提升，以滿足各行業不同的需求。

6 結論

從全國的環境監測數據來看，我國的環境污染惡化的趨勢已得到基本控制，環境質量有所改善，但是污染仍處于相當高的水平。因此迫切需要大量的現代化的環境監測儀器，特別需要優質的自動監測系統和污染源在線連續監測系統。面對嚴峻的環境污染和生態環境惡化的形勢，對環境質量、生態環境現狀及變化趨勢進行實時、準確的大量監測，對污染源及其治理進行監督監測，是擺在全國環境保護工作者面前最艱巨的任務之一。