基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)分析

劉丹 遼寧省葫蘆島市連山區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站

一直以來，我國都十分重視工業(yè)的發(fā)展，但是隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染的問題已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素。尤其是在化工行業(yè)，一方面，無論是危化品存儲還是運輸都對環(huán)境具有較高的要求；另一方面，化工企業(yè)本身對環(huán)境的影響也是巨大的。物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上加入了節(jié)點感知層，在數(shù)據(jù)融合、信息處理及智能控制決策等方面有更出色的表現(xiàn)。一般來說，開展環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究圍繞四個方面展開，澳闊多傳感器終端、局域網(wǎng)絡(luò)通信、廣域網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)云平臺[1]。

毛明建（2019）針對危化品存儲設(shè)施安全監(jiān)控的需求，開展了環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究，并在研究的基礎(chǔ)上對環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行了性能測試，結(jié)果表明無源無線沖擊傳感器可以實現(xiàn)對物理沖擊的監(jiān)測和響應(yīng)，與云平臺的數(shù)據(jù)和指令交互正常，工作穩(wěn)定。

劉皎等（2019）針對大氣環(huán)境數(shù)據(jù)收集問題設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并利用4G 無線通信技術(shù)對采集到的各種數(shù)據(jù)進行實時傳輸，功能全面。

吳丹娜等（2014）則介紹了環(huán)境監(jiān)測的內(nèi)涵、物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念以及體系結(jié)構(gòu)，然后分析了物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警應(yīng)用中的現(xiàn)狀和重點區(qū)域環(huán)境監(jiān)測的試點應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上論述了物聯(lián)網(wǎng)在我國環(huán)境監(jiān)測中的發(fā)展與實踐，同時指出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(wǎng)絡(luò)通信、廣域網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)云平臺等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了新的硬件以及軟件系統(tǒng)設(shè)計，并將其應(yīng)用到實際的測驗中，完成了一整套的環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在分析實際應(yīng)用情況之后提出相應(yīng)的措施建議，總的來說在化工生產(chǎn)領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值[5]。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

（一）國外研究現(xiàn)狀

在環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建上，國外起步較早，不管是無線傳輸協(xié)議、專用芯片還是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，發(fā)達國家都占有較大優(yōu)勢，相關(guān)的研究內(nèi)容比較豐富。無論是監(jiān)測室內(nèi)溫度和濕度的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、長期監(jiān)測室外環(huán)境的低功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還是利用太陽能自供電的實時環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，都是學(xué)者在做了大量的研究工作之后提出的符合實際發(fā)展要求的新系統(tǒng)設(shè)計。越來越多的技術(shù)，如4G、5G、WiFi 等無線技術(shù)融合到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之中，推動物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域朝著新技術(shù)的方向發(fā)展[6]。

（二）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)近幾年發(fā)展趨勢良好，主要在傳感器件、通信技術(shù)以及系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)通用中繼節(jié)點，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自主采集、存儲與處理。化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展離不開完善的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧環(huán)境監(jiān)測已經(jīng)逐漸成了研究熱點[7]（見圖1）。

圖1 基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)通用中繼節(jié)點

（三）基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢

通過總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)未來物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。環(huán)境監(jiān)測需要大量獲取環(huán)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(shù)的融合。環(huán)境監(jiān)測運行實踐長，工作環(huán)境也較為復(fù)雜，能量管理起著重要作用。此外，還有無線技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效、穩(wěn)定、安全和長距離運輸。最后也是最關(guān)鍵的，將云服務(wù)技術(shù)納入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之中，提升物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的信息處理能力和數(shù)據(jù)分析能力。

二、環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）無源無線沖擊傳感器

無源無線沖擊傳感器設(shè)計包括無源無線沖擊傳感器具體構(gòu)成、傳感器結(jié)構(gòu)制作以及節(jié)點電路的設(shè)計。無源無線沖擊傳感器的具體構(gòu)成包括線圈、鐵芯、磁鐵、彈簧片和質(zhì)量塊等。線圈、鐵芯和此鐵構(gòu)成基本的電磁感應(yīng)發(fā)電原件，質(zhì)量塊和彈簧片提供對應(yīng)的運動勢能。無源無線沖擊傳感器接收到?jīng)_擊信號時會驅(qū)動電磁感應(yīng)發(fā)電器件將機械能轉(zhuǎn)換為電能。無源無線沖擊傳感節(jié)點電路設(shè)計方案包括能量轉(zhuǎn)換及控制電路、超低功耗射頻發(fā)射電路兩大部分的電路設(shè)計。能量轉(zhuǎn)換及控制電路設(shè)計采用雙閾值電壓監(jiān)測電路，能量轉(zhuǎn)換電路使用電橋整流電路。

（二）硬件平臺設(shè)計

除了無源無線沖擊傳感節(jié)點的設(shè)計之外，還要重點研究環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的終端硬件平臺設(shè)計，包括針對監(jiān)測系統(tǒng)的兩種工作模式分別涉及兩種硬件平臺。區(qū)域覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺由傳感節(jié)點模塊、無源無線沖擊傳感模塊和網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成。而傳感節(jié)點是區(qū)域覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。網(wǎng)關(guān)設(shè)備電路設(shè)計則是區(qū)域覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)運行的中樞，負責(zé)信息的匯總、處理與發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺運行原理如下：（1）無源無線沖擊傳感器在監(jiān)測到脈沖信號后，發(fā)送脈沖信號到主控模塊；（2）主控模塊獲取環(huán)境監(jiān)測傳感信息之后將數(shù)據(jù)通過串口驅(qū)動模塊經(jīng)TCP 協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送到云平臺；（3）云平臺發(fā)送控制指令到本地，控制主控模板的工作狀態(tài)。

（三）軟件系統(tǒng)設(shè)計

無源無線沖擊傳感模塊軟件設(shè)計基于Keil u Vision4 軟件平臺完成軟件功能的編寫、調(diào)試及測試，在數(shù)據(jù)收發(fā)的程序中射頻器件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包的自我組包，因此在數(shù)據(jù)進行發(fā)送時只需要將數(shù)據(jù)加入緩存寄存器即可，數(shù)據(jù)封包完成后可以直接進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。區(qū)域覆蓋監(jiān)測系統(tǒng)軟件由傳感模塊軟件、主控模塊軟件和云平臺應(yīng)用三個部分組成。定點直連監(jiān)測系統(tǒng)軟件由主控模塊的設(shè)備端軟件和云服務(wù)器的上位機軟件。主控模塊軟件主要負責(zé)傳感數(shù)據(jù)獲得、GPRS 模塊驅(qū)動、數(shù)據(jù)上傳和指令解析等；云服務(wù)端尚未機軟件設(shè)計則負責(zé)數(shù)據(jù)處理顯示、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲及查詢、指令下發(fā)等一系列功能（見表1）。

表1 射頻模塊數(shù)據(jù)包格式

（四）實際應(yīng)用與測試情況

通過實踐應(yīng)用過程中的多次測試可以發(fā)現(xiàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)已基本得到應(yīng)用，相關(guān)的功能也比較完善，實現(xiàn)了無源無線沖擊傳感的報警功能、環(huán)境數(shù)據(jù)云端實時監(jiān)測和云端指令實時下發(fā)等功能。化工企業(yè)在實際應(yīng)用的過程中利用該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能更加準確的監(jiān)測到環(huán)境數(shù)據(jù)的變化并及時給出預(yù)警方案。總的來說，該設(shè)計方案已基本完成預(yù)期設(shè)計與功能目標。

三、完善物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)措施建議

（一）整體上行業(yè)應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一技術(shù)標準

物聯(lián)網(wǎng)標準體系相對較復(fù)雜，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，更是缺乏一個統(tǒng)一的技術(shù)標準。進一步說，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(tǒng)一的應(yīng)用標準。

（二）做好物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及時維護

基于互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對技術(shù)的要求高，化工企業(yè)一旦開始應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，就要配備相關(guān)的專業(yè)人員進行維護和及時升級。一方面，研究人員要結(jié)合實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題做好維護工作；另一方面，相關(guān)的工作人員要配合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的運行，正確利用好關(guān)鍵技術(shù)，在實際操作的過程中發(fā)揮重要作用。

（三）優(yōu)化技術(shù)人員結(jié)構(gòu)

隨著時代的發(fā)展，化工企業(yè)對于高新技術(shù)人才的需求遠高于之前，從事環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的人員結(jié)構(gòu)不合理，從事化工企業(yè)環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)人員參差不齊。高學(xué)歷、高技術(shù)人才所占比例還是比較少。企業(yè)應(yīng)當(dāng)合理重組和優(yōu)化技術(shù)人員的構(gòu)成，同時做好基層人員的技術(shù)培訓(xùn)工作以填補技術(shù)人才缺口。

四、結(jié)論

總的來說，基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)已基本得到應(yīng)用，相關(guān)的功能也比較完善，利用該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能更加準確的監(jiān)測到環(huán)境數(shù)據(jù)的變化并及時給出預(yù)警方案。總的來說，本文的設(shè)計方案已基本完成預(yù)期設(shè)計與功能目標。