基于物聯網環境監測關鍵技術分析

劉丹 遼寧省葫蘆島市連山區環境保護監測站

一直以來，我國都十分重視工業的發展，但是隨著工業的發展，環境污染的問題已成為制約經濟發展的一個重要因素。尤其是在化工行業，一方面，無論是危化品存儲還是運輸都對環境具有較高的要求；另一方面，化工企業本身對環境的影響也是巨大的。物聯網在互聯網的基礎之上加入了節點感知層，在數據融合、信息處理及智能控制決策等方面有更出色的表現。一般來說，開展環境監測物聯網關鍵技術研究圍繞四個方面展開，澳闊多傳感器終端、局域網絡通信、廣域網絡通信、數據云平臺[1]。

毛明建（2019）針對危化品存儲設施安全監控的需求，開展了環境監測物聯網關鍵技術研究，并在研究的基礎上對環境監測物聯網系統進行了性能測試，結果表明無源無線沖擊傳感器可以實現對物理沖擊的監測和響應，與云平臺的數據和指令交互正常，工作穩定。

劉皎等（2019）針對大氣環境數據收集問題設計了一種基于物聯網的環境監測系統，并利用4G 無線通信技術對采集到的各種數據進行實時傳輸，功能全面。

吳丹娜等（2014）則介紹了環境監測的內涵、物聯網的相關概念以及體系結構，然后分析了物聯網在環境監測和預警應用中的現狀和重點區域環境監測的試點應用，在此基礎上論述了物聯網在我國環境監測中的發展與實踐，同時指出物聯網技術應用過程中存在的一些問題[2-3]。

本文研究了多傳感器終端、局域網絡通信、廣域網絡通信、數據云平臺等關鍵技術的基礎上提出了新的硬件以及軟件系統設計，并將其應用到實際的測驗中，完成了一整套的環境監測物聯網系統，在分析實際應用情況之后提出相應的措施建議，總的來說在化工生產領域具有較高的應用價值[5]。

一、國內外研究現狀及發展趨勢

（一）國外研究現狀

在環境監測物聯網系統的構建上，國外起步較早，不管是無線傳輸協議、專用芯片還是物聯網系統，發達國家都占有較大優勢，相關的研究內容比較豐富。無論是監測室內溫度和濕度的智慧城市物聯網系統、長期監測室外環境的低功耗物聯網系統還是利用太陽能自供電的實時環境監測物聯網系統，都是學者在做了大量的研究工作之后提出的符合實際發展要求的新系統設計。越來越多的技術，如4G、5G、WiFi 等無線技術融合到物聯網系統之中，推動物聯網環境監測領域朝著新技術的方向發展[6]。

（二）國內研究現狀

國內的環境監測物聯網技術近幾年發展趨勢良好，主要在傳感器件、通信技術以及系統集成方面取得了較大進展。如樸植等人提出的基于STM32 的物聯網通用中繼節點，能夠實現數據的自主采集、存儲與處理。化工行業的蓬勃發展離不開完善的環境監測系統，基于物聯網技術的智慧環境監測已經逐漸成了研究熱點[7]（見圖1）。

圖1 基于STM32的物聯網通用中繼節點

（三）基于物聯網環境監測技術發展趨勢

通過總結國內外研究現狀不難發現未來物聯網環境監測技術的發展趨勢。環境監測需要大量獲取環境中的各種物理量信息并進行融合處理，需要多傳感器技術的融合。環境監測運行實踐長，工作環境也較為復雜，能量管理起著重要作用。此外，還有無線技術，能夠實現環境監測數據的高效、穩定、安全和長距離運輸。最后也是最關鍵的，將云服務技術納入物聯網系統之中，提升物聯網環境監測系統的信息處理能力和數據分析能力。

二、環境監測物聯網系統關鍵技術分析

（一）無源無線沖擊傳感器

無源無線沖擊傳感器設計包括無源無線沖擊傳感器具體構成、傳感器結構制作以及節點電路的設計。無源無線沖擊傳感器的具體構成包括線圈、鐵芯、磁鐵、彈簧片和質量塊等。線圈、鐵芯和此鐵構成基本的電磁感應發電原件，質量塊和彈簧片提供對應的運動勢能。無源無線沖擊傳感器接收到沖擊信號時會驅動電磁感應發電器件將機械能轉換為電能。無源無線沖擊傳感節點電路設計方案包括能量轉換及控制電路、超低功耗射頻發射電路兩大部分的電路設計。能量轉換及控制電路設計采用雙閾值電壓監測電路，能量轉換電路使用電橋整流電路。

（二）硬件平臺設計

除了無源無線沖擊傳感節點的設計之外，還要重點研究環境監測物聯網系統的終端硬件平臺設計，包括針對監測系統的兩種工作模式分別涉及兩種硬件平臺。區域覆蓋監測系統硬件平臺由傳感節點模塊、無源無線沖擊傳感模塊和網關設備組成。而傳感節點是區域覆蓋監測系統運行的基礎。網關設備電路設計則是區域覆蓋監測系統運行的中樞，負責信息的匯總、處理與發送。除此之外，由主控模板、無源無線沖擊傳感模塊和通信板塊組成的定點直連監測系統硬件平臺運行原理如下：（1）無源無線沖擊傳感器在監測到脈沖信號后，發送脈沖信號到主控模塊；（2）主控模塊獲取環境監測傳感信息之后將數據通過串口驅動模塊經TCP 協議將數據包發送到云平臺；（3）云平臺發送控制指令到本地，控制主控模板的工作狀態。

（三）軟件系統設計

無源無線沖擊傳感模塊軟件設計基于Keil u Vision4 軟件平臺完成軟件功能的編寫、調試及測試，在數據收發的程序中射頻器件能夠實現數據包的自我組包，因此在數據進行發送時只需要將數據加入緩存寄存器即可，數據封包完成后可以直接進行數據的發送。區域覆蓋監測系統軟件由傳感模塊軟件、主控模塊軟件和云平臺應用三個部分組成。定點直連監測系統軟件由主控模塊的設備端軟件和云服務器的上位機軟件。主控模塊軟件主要負責傳感數據獲得、GPRS 模塊驅動、數據上傳和指令解析等；云服務端尚未機軟件設計則負責數據處理顯示、數據庫數據存儲及查詢、指令下發等一系列功能（見表1）。

表1 射頻模塊數據包格式

（四）實際應用與測試情況

通過實踐應用過程中的多次測試可以發現，基于物聯網環境監測關鍵技術已基本得到應用，相關的功能也比較完善，實現了無源無線沖擊傳感的報警功能、環境數據云端實時監測和云端指令實時下發等功能。化工企業在實際應用的過程中利用該環境監測系統能更加準確的監測到環境數據的變化并及時給出預警方案。總的來說，該設計方案已基本完成預期設計與功能目標。

三、完善物聯網環境監測系統措施建議

（一）整體上行業應當統一技術標準

物聯網標準體系相對較復雜，在環境監測領域，更是缺乏一個統一的技術標準。進一步說，傳感器網絡技術標準、云計算標準以及信息安全標準等，在實踐的過程中一定要有一個統一的應用標準。

（二）做好物聯網環境監測系統及時維護

基于互聯網的環境監測系統對技術的要求高，化工企業一旦開始應用物聯網環境監測系統，就要配備相關的專業人員進行維護和及時升級。一方面，研究人員要結合實際應用過程中出現的問題做好維護工作；另一方面，相關的工作人員要配合環境監測系統的運行，正確利用好關鍵技術，在實際操作的過程中發揮重要作用。

（三）優化技術人員結構

隨著時代的發展，化工企業對于高新技術人才的需求遠高于之前，從事環境監測技術的人員結構不合理，從事化工企業環境監測的技術人員參差不齊。高學歷、高技術人才所占比例還是比較少。企業應當合理重組和優化技術人員的構成，同時做好基層人員的技術培訓工作以填補技術人才缺口。

四、結論

總的來說，基于物聯網環境監測關鍵技術已基本得到應用，相關的功能也比較完善，利用該環境監測系統能更加準確的監測到環境數據的變化并及時給出預警方案。總的來說，本文的設計方案已基本完成預期設計與功能目標。