基于物聯網的環境自動監控數據采集與傳輸系統架構設計與功能實現

汪先鋒

（山東省環境保護信息中心，濟南 250101）

引言

近年來，我國大力加強環境監管業務中的信息化建設，在環境質量監控、污染源自動監控、環境應急等方面做出了大量的探索和努力。隨著信息技術和環境監管業務的深入整合和發展，我們研究和設計了基于物聯網的環境自動監控數據采集與傳輸系統總體架構。該設計將實現“物物相連”的數據采集與傳輸設備納入環保物聯網系統。數據采集與傳輸系統與各類自動監測設備之間能夠互相通信、相互協作，共同完成相關環境自動監測任務。如，在河流斷面自動監控體系中，通過與自動監測設備（或傳感器）之間相互協作，實時采集與傳輸自動監測的數據，并對河流的上中下游相關監測數據的一致性進行檢查和判斷。采用代碼分發機制，通過主控制端向各數據采集與傳輸節點分發軟件升級程序，在最快、最安全的前提下，完成數據采集與傳輸系統的遠程自動升級。該系統的設計與應用為實現環境自動監控系統的數字化和智能化發展奠定了堅實的基礎。

1. 設計思路

針對環境自動監控需要實現對本地區大范圍內多級、多層次、多種類環境要素質量進行自動連續的、實時的、全天候的監測與監控這一特點，本文就基于物聯網的環境數據采集與傳輸，提出了設計允許多種類型環境要素自動監測設備和多類型環境監測傳感器接入，支持多種數據傳輸方式、多協議多目標數據通信的高可靠和安全可信的數據采集與傳輸系統。該系統參照《污染源在線自動監控（監測）系統數據傳輸標準》（HJ/T 212—2005）和《污染源在線自動監控（監測）數據采集傳輸儀技術要求》(HJ 477—2009)兩個標準進行設計。

該系統在傳統應用的基礎上，增加了數據采集與傳輸系統的智能性和控制性，使數據采集與傳輸系統與自動監測設備、傳感器之間不僅可以通信，而且可以通過協作完成相關的環境自動監測業務。最終形成與各類污染源和環境質量自動監測信息的采集、處理、傳輸、存儲、基礎應用和綜合應用等，實現環境監管業務的信息化、網絡化、一體化和規范化。

2. 總體架構設計

數據采集與傳輸系統是硬件與軟件結合為一體的設備，通常簡稱為“數采儀”。其必須要具備環境自動監測設備產生的監測數據和運行參數的采集、實時在線通信、報警、遠程控制、數據存儲、查詢、系統日志、設置等功能。同時還應具有抗干擾能力強、停電自動切換、來電自動恢復、數據補傳、異常情況恢復后的自動啟動和復位等功能。

數據采集與傳輸系統要能夠支持與各種自動監測儀器及系統的聯接，以便在不做任何改動的情況下，可隨時增加監測項目的采集和存儲；具有任意通信協議的軟件編程功能，可以與任意監測儀器進行通信的協議，同時還能按用戶要求編制與上位機通信的協議，并能實現不同通信協議的轉發。

系統支持多種通信方式（GPRS/EGPRS/CDMA，3G和各種有線網絡），可同時采用多路信號輸出，并可在不做任何改動的情況下，同時使用兩種以上的通信方式，并能利用一種通信方式實現一數多發的功能，支持與多個環境監控中心的聯接和通信。系統結構如圖1所示。

圖1 數據采集與傳輸系統結構圖

總體架構與全國環境自動監控系統框架示意圖如圖2所示。

圖2 總體架構與全國環境自動監控系統框架示意圖

3.實現流程與功能

在基于物聯網的環境自動監控數據采集與傳輸系統應用時，可以把CEMS（廢氣在線連續監測儀器）儀器，從企業的排污煙囪采集排放污染物的數據和儀器的工作狀態信息，由鍋爐運行負荷采集裝置和室溫傳感器采集的鍋爐運行負荷與室溫數據，通過在監測現場配置的環境數據采集傳輸系統，接入互聯網或專網。廢水在線監測儀器把廢水污染源的排放物的數據及該儀器的工作狀態信息，通過在監測現場配置的環境數據采集傳輸系統，接入互聯網或專網，傳輸到環境監控中心的數據庫服務器。業務人員通過訪問監控中心的數據庫服務器，可以實時掌握和了解現場監測數據，同時可將監控命令通過網絡傳到現場的監測儀器，從而實現對監測儀器的遠程控制。環保業務主管部門、各相關企業和公眾，可通過Internet訪問系統的Web服務器，根據不同的權限分類查看由市級監控中心審核后發布的各類環境自動監測數據。

系統與自動監測設備的通信結構如圖3所示。

圖3 系統與自動監測設備的通信示意圖

3.1 數據統一采集與傳輸

系統可同時向國家、省、市、縣環保業務部門和多級、多個環境監控中心轉發原始環境自動監測數據，實現某一點位自動監測數據的統一性，也就是說不管哪一級環境監管部門、被監控企業或公眾，在任何時間看到的某一點位環境數據，都是由該系統同時發布的統一的數據，這樣能夠確保數據的統一性，實現一源一數，一數多用。

2個或多個數據采集與傳輸系統之間能夠相互通信，組織成一個互聯互通的網絡系統。該種互聯互通的體系結構大大優越于傳統的環境監測監控系統，不僅能夠完成環境監測數據的實時多級傳輸，而且數據終端的智能化程度更高，它們之間可以通過自組網的形式協作完成一系列相關業務。

該系統相互通信及與環境自動監控系統關系如圖4所示。

3.2 主要功能實現

以自動監測設備數據采集、智能數據傳輸和精確流程控制為重點，突出“一點多發、自動補發、WEB發布”等特點和功能，展現該系統的智能化和一體化，充分發揮與環境自動監控體系充分融合的最大效益。

3.2.1 Internet直接訪問

系統實現能夠向國家、省、市、縣四級環境監控中心傳輸實時原始監測數據，系統用戶通過Internet登錄環境自動監控管理系統，查看實時監測數據。業務用戶直接登錄服務器查看原始監測數據。管理員用戶可通過Internet可以直接訪問數據采集與傳輸系統，查看數據采集與傳輸狀態，制訂修訂數據采集與傳輸策略，掌握和控制自動監測設備運行狀態。

3.2.2 協作檢查

在指定的兩臺數據采集與傳輸儀之間通信協作，可完成區域內氣體總排放量計算與數據不一致性檢查等功能。

3.2.2.1 計算城市區域內的氣體總排放量

在通信協作情況下，各個數據采集與傳輸儀都具有計算能力，各自的環境自動監測不必上傳到環境自動監控中心平臺。系統對某個特定范圍內的數據采集與傳輸，能通過自身的計算能力，相互協作統計出本區域的環境污染狀況（比如大氣排放狀況），能夠減輕環境監控中心的計算負載，也使得環境監測業務統計更加科學。

3.2.2.2河流的上、中、下游數據不一致性檢查

由于各個數據采集與傳輸系統之間能夠互聯互通，環境監測數據可以通過接力的方式相互傳輸。某個河流上、中、下游都安裝部署了數據采集與傳輸系統，上游的數據采集與傳輸系統將其環境監測數據傳遞到中游的數據采集與傳輸系統，中游的數據采集與傳輸系統接收到上游的數據之后，自身進行迅速比對，可以迅速發現水域污染警情，以防止重大污染事故和污染源的擴散。

3.2.3 故障診斷

數據采集與傳輸系統之間可以相互通信，相互感知相鄰節點的狀態。如果數據采集與傳輸系統A無法正常向環境監控中心上傳環境監測數據，這時臨近的數據采集與傳輸系統B就可以向其發送數據包，探測A的狀態，以確定A的運行與通信狀況。

3.2.4 軟件遠程升級

采用代碼分發機制，向數據采集與傳輸終端分發智能升級程序。可以提升和優化數據采集與傳輸系統的智能性和可控性，可以遠程向其注入軟件程序。由主控制節點分別向特定的節點分發升級程序，完成局部或所有數據采集與傳輸系統的遠程升級。

3.2.5 數據統一處理

數據采集與傳輸系統采用ColdFire MCF5272 的32位高性能嵌入式微處理器，內存為64MB，系統閃存FLASH為8M，操作系統采用工業級的LINUX平臺，具有極高的系統可靠性與安全性，具有可編程功能，可實現智能多通信協議處理、組件式的監測設備通信協議動態鏈接庫。采用嵌入式數據庫進行實時數據采集、存儲和分析，存儲空間能夠保存自動監測設備產生的12個月以上的歷史數據。

3.2.6 豐富的擴展性

數據采集與傳輸系統具有8路RS233/485數字接口、8路AI、8路DI/DO接口；一個以太網口、一個RJ45/USB調試口（均可擴展）；全部采用表貼元器件和高可靠性接插件，四層板設計，有單獨的地層和電源層；采用主板和不同功能擴展模塊壓縮到一個主模塊上的結構，結構緊湊簡單；接口全部隔離包含電源隔離、信號隔離（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、短時中斷和電壓變化干擾等。

圖4 系統相互通信及與環境自動監控系統關系圖

3.2.7 自動校驗

采用嵌入式數據庫處理所采集的數據，在數據采集時可自動校驗和分析、存儲數據，并具有分析數據質量碼的功能，可判斷所采集數據是正常狀態下的數據還是在設備校正、維修、清洗等狀態下的數據。數據采集具有實時性，遙測傳送時間小于4秒，搖控指令從數據中心到采集裝置時間小于2秒。

3.2.8 多種通信與傳輸方式

數據采集與傳輸系統將支持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。

支持所采集數據進行定時傳輸、采樣傳輸、召喚傳輸、透明傳輸等數據傳輸方式。具有數據多點發送功能，為在不同地點、不同終端提供同步、不同形式的實時和歷史數據。具有可同時向最多達8個目標IP地址（監控系統）發送數據的功能，具有數據自動補發和歷史數據召喚的功能，具有能夠實現對現場監測設備的遠程反控和對時的功能。

3.2.9 支持多種通信協議

數據采集與傳輸系統支持開放的工業標準規約IEC 60870-5-104、各行業和各生產廠家的數據采集與傳輸標準。

3.2.10 具有WEB發布功能

數據采集與傳輸系統采用AppWeb作為嵌入式WEB服務器，使監控人員可以通過互聯網進行遠程監控：最多支持8個通信點同時對1個點進行遠程監控；對系統中所有模塊具有故障自動診斷,自動報告功能，可以采用手機短信及時通知最多32個相關人員。通過WEB就可以對數據進行查詢和遙測、遙控操作。

3.2.11 可實現視頻數據的上傳

數據采集與傳輸系統視頻監控接口能接入視頻裝置，可以看到監測站點內部、排污口、煙囪和城市空氣環境的實時視頻監控畫面，每秒至少傳輸6幀畫面。

4. 結語

本文設計的基于物聯網技術的環境自動監控數據采集與傳輸系統，具有明顯的智能特性，該系統不僅具有“一點多發、自動補發、WEB發布”等特點，還具有較強的遠程可控性，相互之間的通信、協作能力能夠完成某些特定的環境監測監控業務，提高了系統的應用效率。采用代碼分發機制，能夠快速安全地實現數據采集與傳輸終端設備的遠程升級。通過該系統的應用，能夠充分保障環境自動監控系統的數據有效采集與傳輸，為環境監管奠定技術堅實的基礎。

[1] 彭曉珊.關于物聯網技術發展及應用前景的研究.汕頭科技，2010,（1）.

[2] 孫春光, 劉開華, 曾菊香.基于Linux的便攜式數據采集分析儀的研究與實現.組合機床與自動化加工技術，2006，（3）：21-23.

[3] 馬淵，安野，黃佩偉. 基于嵌入式的遠程測試控制技術.現代電子技術，2006 ，（17） ：101-103.

[4] 孫大慶，郭興旺.基于GSM/GPRS的無線監控系統設計.計測技術，2006，26（4）：7-11.

[5] 曾帥，張治中，裴二榮.TD-SCDMA無線接入網數據采集技術研究.重慶郵電大學學報(自然科學版), 2007，（1）：39-40.

[6] 謝煒，翟坦，姜新等. 基于嵌入式系統的環保數據的采集與無線發送，微機發展，2005，15（1）：68-70.