基于物聯網技術的環境監控系統研究

俞弦

【摘 要】隨著經濟的不斷發展，環境污染已經變成整個社會不可忽視的一個重要問題，而如何對環境問題進行有效監測也是大家關注的重點。物聯網作為互聯網之后的又一個信息技術革命，可全面應用于環境監測工作。本文對物聯網技術在環境監測行業中的應用定位以及技術特點進行了分析，并著重介紹了基于物聯網技術的環境監控系統，提出促進物聯網在環境監測行業中發展的建議。

【關鍵字】物聯網；環境監測；應用

中圖分類號： X84 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）13-0075-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.13.034

【Abstract】With the continuous development of the economy， environmental pollution has become an important issue that cannot be ignored in the entire society. How to effectively monitor environmental issues is also the focus of attention. As a further information technology revolution after the Internet， the Internet of Things can be fully applied to environmental monitoring. This article analyzes the application orientation and technical characteristics of Internet of things technology in the environmental monitoring industry， and focuses on the environment monitoring system based on Internet of things technology， and proposes the promotion of Internet of things development in the environmental monitoring industry.

【Key words】Internet of Things； Environmental monitoring； Application

1 環境監測重要性

伴隨現代社會科技和工業的高速發展，人們不可避免的在社會化生產過程中對自然生態環境產生嚴重破壞。而環境質量與人民群眾的生活密不可分，越來越嚴峻的生態環境危機問題嚴重在各個方面影響了人民的日常生活，該現象引起了人民的擔憂和反思，也越來越得到各國各級政府的重視。

環境問題最明顯的表現形式為空氣污染，而空氣污染正是影響人體健康的一個主要環境風險。空氣污染程度的加重可增加中風、心臟病、肺癌以及慢性和急性呼吸道等疾病的患病幾率。空氣污染程度越高，人們的心血管和呼吸系統健康水平就越差，且不存在長期或短期受污染的差異。空氣污染包括氣態和固態等多種成分。高濃度的微細顆粒物污染，易誘發心臟病和中風死亡，以及呼吸系統疾病和癌癥等。所以，測量2.5微米或更小直徑微細顆粒物（PM2.5），被公認是關于空氣污染帶來的健康風險水平的最佳指標。

環境監測，指的是人們借助先進的技術手段和科學方法，在一定的時間范圍內對影響和可能影響人類以及動植物生存發展的環境質量狀況、影響環境質量的因素代表值進行監視性調查、測定，從而掌握、研究、確定和預測環境受污染、受破壞等質量狀況及其變化趨勢的行為和過程。環境空氣污染檢測的對象主要包含顆粒物質（PM）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）等指標。通過對污染嚴重的環境中的大氣、土壤、生物、水資源等環境要素進行長時間、規律的監測，在環境監測的可控范疇內，使用多種科學的方法對不同環境污染問題進行整理、預防、排查，并高效控制和根治已經被污染的環境要素，按期跟進，防止污染進一步擴散。

2 物聯網技術在環境監測中的應用定位

隨著生活水平的大幅度提高，人們越來越重視自己的身體健康，也加強了對生活環境的關注程度，尤其是一些對健康產生風險的氣體物質，并逐步在實施有效的監管和治理。隨著日益嚴重的大氣污染，環境空氣質量監測行業得到逐步發展，近年來，環境空氣質量自動監測系統在我國普遍應用并小有成效。現在主流的大氣環境監測系統大多是應用物聯網技術，基于無線傳感器網絡技術，采集、傳輸和監測指定的生活作業環境中的各項數據指標，比如有毒有害氣體，粉塵， PM2.5等，該系統可應用于石油化工，工廠危化品倉庫，學校，公園等環境。基于物聯網技術的環境監控系統可應用于城市網格大氣環境監測、工業園區大氣環境監測、室內空氣質量監測、特殊敏感場景環境檢測等多種智慧城市應用場景。

2.1 城市網格大氣環境監測

運用現在普及程度最高，使用效果最佳的環保網格化監控方法，對目標監測地區實行網格化監測，在不同位置、不同程度的污染源區域設置相對應的空氣質量監測終端設備，可以認識全地區的污染情況，也可以能對各個局部污染進行監控，達成全區范圍內宏觀到微觀的全方位監控，同時，運用先進的大數據和云平臺技術，構建專業的空氣質量模型，對收集到的數據按照空氣質量變化的規律和趨勢進行科學研究預測，對造成空氣污染的主要污染源進行精確溯源，給從源頭上治理環境污染提供科學依據。

2.2 工業園區大氣環境監測

可以在重點工業企業附近設置終端傳感器，實時對環境，尤其是污染排放指標進行監測，還可以配合攝像頭，進行自動觸發攝像頭進行照相取證，為后續執法工作提供有力證據。

2.3 室內空氣質量監測

針對人員密集的室內場景，如：學校、地鐵、商場等場所，可放置室內型終端傳感器。通過對環境數據的收集，可通過云端計算給出通風、制冷、加熱、加濕等建議或機器指令，使用戶感知提升，能耗降低。

2.4 特殊敏感場景環境監測

主要是在特殊敏感場景，例如 酒廠監測溫濕度；地下管廊監測氧含量，CO2等影響作業人員健康狀態的環境數據，進行安全提示，保證生產安全。

3 物聯網技術在環境監測中的技術特點

基于無線傳感器網絡技術的環境監控系統，采用先進的物聯網技術，終端設備區別于傳統的氣體傳感器存在零點漂移與溫度漂移、精度差、范圍小等問題，對城市環境中CO、O3、NO2、SO2氣體的監測使用高精度電化學傳感器，零點漂移與溫度漂移幾乎為0，精度可達0.1ppm，對O3、NO2、SO2的測量范圍可達0～20ppm， 對CO的測量范圍可達0～1000ppm；

區別于傳統的風速風向測量，對城市環境中風速風向的測量采用超聲波風速風向測量方案，具有無啟動風速，反應速度快，量程廣、盲區小、線性度好、精度高和無機械磨損、易于安裝維護、不需校正等優點；

區別于無法區分熱輻射與環境溫度的傳統的溫度測量傳感器，系統多使用的溫濕度傳感器可排除熱輻射干擾，只測量城市環境溫度，誤差不超過0.1℃；

對城市環境中PM2.5與PM10的檢測可采用高精度激光傳感器，PM2.5的測量精度可達0.3ug/m3，測量范圍可達0～500ug/m3， PM10的測量精度可達0.5ug/m3，測量范圍可達0～2000ug/m3。

4 基于物聯網技術環境監控系統的系統架構

環境監控系統包括設備層、平臺層和應用層。

設備層通過新類型的傳感器的引入，擴展終端設備的服務能力，滿足實際項目的各種需求。處于三層架構中最底層的設備層，是物聯網發展和應用的地基，具備物聯網全面感知的核心功能。作為物聯網的最基礎的一層，設備層起到非常重要的作用。設備層由數據采集子層、短距離通信技術和協同信息處理子層構成。

平臺層由數據接入層、數據處理層（包括實時處理和離線處理）、數據儲存層、數據服務層、監控報警服務、平臺管理服務（設備管理、權限管理、統一認證管理和日志管理）組成，功能統一，具有非常強的擴展性，可以通過新類型的網關的增加、開發，從而接入新類型的終端；同一類型的網關也可以多實例部署，實現負荷分擔，多實例之間N+1模式備份，具有較好的容錯性，保證對外服務的連續性。

應用層主要是物聯網的各類應用和第三方系統。應用層不需要處理和分析數據，只是通過數據服務層提供的查詢接口獲取到平臺層中已經處理過的數據并在界面進行展示。應用層不僅提供設備管理、安全管理、日志管理、告警管理等平臺通用功能，還能根據項目的需要，進行專業的功能實現，針對項目提供多種視圖的數據呈現和分析。

5 總結

基于物聯網技術的環境監控系統可以引導城市設計，引導公共空間合理布局；可以對以PM2.5為主的污染物濃度的擴散與分布特征進行分析，進而總結污染物擴散的基本規律；可以促進城市環境數據開放化，輔助市民健康生活。

隨著信息化技術的大力推廣，物聯網技術在環境監測行業中的應用已經開始起步，但仍有很多關鍵技術在等待突破。物聯網在環境監測行業發展中是必不可少的一個環節，這需要整個社會的推動，促進環境監測行業得到信息化，智能化的發展。

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