基于物聯網的環境監控系統研究

潘 燕

（上海電器科學研究院 上海市智能電網需求響應重點實驗室，上海 200063）

0 引 言

隨著經濟的發展，環境污染問題日益突出，如大氣霧霾導致能見度低下；工業制造、建筑制造產生粉塵和噪音等問題；車輛、化工等破壞大氣臭氧層，導致全球溫度升高。這種情況下，對環境進行監測和保護尤為重要。

物聯網通過傳感設備，按照約定協議將任何實體硬件設備與網絡相連，使實體硬件設備可通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能[1]。物聯網由感知層、網絡層和應用層組成。感知層將物理世界與信息世界通過硬件設備進行連接，感知環境物質外在屬性；網絡層作為物聯網的大腦，將感知層信息傳輸至應用層。傳入的數據通過應用層轉換和子平臺處理后服務行業發展[2]。物聯網更偏重應用，應用是物聯網的核心，創新是物聯網發展的靈魂。

目前，我國已經進入了環境污染事件的高發期，相關事件層出不窮。據不完全統計，我國1998—2006年平均每年發生1 600多起環境污染事故，且近年來呈波動上升趨勢[3]?；谖锫摼W的環境監測平臺是物聯網技術的重要應用之一[4]，常用技術包括傳感技術、RFID標簽、嵌入式系統技術、Web等，其中傳感技術已被廣泛應用于各監測領域[5]。

本文將物聯網應用于環境監測領域，利用網絡以及傳感器技術收集環境數據，并利用網絡技術將其顯示在Web界面，實現環境的實時監控和信息互享。用戶可在遠程監控環境的同時，采取相應的措施改善環境，真正實現環境監控的意義。

1 系統架構設計

圖1所示為環境監測系統架構圖，其包含物聯層、控制層、業務層、應用層以及數據管理中心。物聯層包括傳感器伺服以及其他設備伺服，其中傳感器伺服包括傳感器終端模塊與上位機軟件，主要應用傳感器采集環境數據并將數據傳輸至控制層，控制層對獲取的數據進行分析、處理，形成一定的報表數據并傳輸至業務層，最終通過接口顯示給用戶。

圖1 環境監測系統架構

1.1 傳感器伺服

傳感器伺服包括傳感器終端模塊以及上位機軟件。傳感器終端模塊包括傳感器控制器和多種傳感器模塊，其中傳感器控制器共有三種通信方式與上位機軟件交互，分別為以太網接口，GPRS接口，以及RS 485接口。傳感器控制器與多種傳感器模塊的通信同時支持I2C，SPI，TTL串口，電流電壓模擬輸入接口。傳感器控制器的核心模塊為STM32F107RC，用于支持傳感器控制器與上位機軟件以及多種傳感器模塊之間的數據交互。傳感器終端模塊框圖如圖2所示。

圖2 傳感器終端模塊框圖

多種傳感器模塊包括光照度傳感器、粉塵傳感器、風速傳感器、溫濕度傳感器、噪聲傳感器、土壤含水量傳感器、CO2檢測模塊、CO檢測模塊、NH3檢測模塊、SO2檢測模塊、Cl2檢測模塊、HCl檢測模塊、H2S檢測模塊、NO2檢測模塊、VOC檢測模塊等，其中9種為氣體傳感器。

上位機軟件基于Linux系統設計，主要支持傳感器終端模塊與系統服務器之間的數據通信。將傳感器數據接收并傳輸至服務器，同時將服務器相關指令傳輸至傳感器終端模塊。

1.2 Web 服務器功能的實現

Web服務器通過Tomcat部署，框架為Spring MVC。傳感器采集的數據與數據中心交互，進行一系列數據處理后，通過頁面反饋給用戶進行監測。監測系統的安全采用授權方式保障，后臺提供Restful接口，返回的JSON格式數據供第三方調用。系統內的終端設備通過UDP、TCP與Web服務器建立連接，可以上報數據以及接收控制命令[6]。

服務器主要包含數據采集模塊、數據庫管理模塊環境數據分析模塊、規則聯動模塊。服務器軟件使用Java語言編寫，服務器被啟動之后，可對接收端口進行監聽，一旦接收到客戶端的連接請求，服務器將啟動線程對客戶端上報的環境數據進行接收。模塊接收、提取信息后，將其存入數據庫，同時進行數據處理，以報表以及熱力圖的形式顯示給客戶。同時還可根據設計的規則，下發對應的控制指令，以改善環境。

環境系統平臺通過服務器接收傳感器上報的數據，如PM10，PM2.5，SO2，NOx，CO，O3，TVOC，H2S，HCl，NH3，Cl2等污染參數，可滿足用戶對復雜污染狀況的監測需求，同時系統還可采集風速、風向、氣壓、溫濕度等氣象數據，將其作為環境監測原始數據，便于分析園區內的環境狀態[7]。

1.3 Web應用功能的實現

本監控系統采用Web頁面的方式展示環境監控結果。Web頁面使用HTML5、CSS3、JavaScript以及jQuery開發，通過Ajax技術調用服務端接口，得到環境數據，并將數據解析后通過圖表等形式展示[6]。

基于技術框架，將常用的任務和業務進行抽象化處理，形成通用方案，以避免大量的重復勞動。技術框架的出現縮短了開發周期，降低了開發成本，有助于任務邏輯的實現，能夠大幅提高軟件的質量[8]。

1.4 數據庫的設計

由于需要將各區域的環境數據實時顯示在平臺，因此對環境數據的實時性要求較高，同時若要形成對環境的長期監測，則需要對一段時間的數據進行分析研究，并形成報表，所以還需設計實時數據庫以及歷史數據庫。Redis是一款開源的內存數據庫，可以存儲系統平臺需要實時顯示的熱點數據，可大幅提升實時數據查詢速度，并可通過配置對已查詢完的熱點數據進行即查即刪操作。

歷史數據庫采用傳統MySQL關系型數據庫，用于存儲歷史數據，也可通過MapReduce模型將環境數據分析結果存儲在MySQL中，以提升報表查看性能，帶給用戶更好的使用體驗。

1.5 GIS技術

地理信息系統（GIS）技術是近些年迅速發展的一門空間信息分析技術，其在資源與環境應用領域具有技術先導作用。GIS技術不僅可以有效管理具有空間屬性的各種資源環境信息，對資源環境管理和實踐模式進行快速和重復的分析測試便于制定決策、進行科學和政策的標準評價，而且可以有效對多時期的資源環境狀況及生產活動變化進行動態監測和分析比較，也可將數據收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，以提高工作效率和經濟效益，為解決資源環境問題及保障可持續發展提供技術支持[9]。

2 環境系統實現

Web服務器部署在Tomcat中，連接傳感器伺服。傳感器伺服與Web服務器建立連接后可進行數據傳輸及通信。圖3所示為傳感器終端模塊的硬件設備，包括傳感器控制器及光照傳感器模塊。圖4所示為系統平臺開發界面。圖5所示為Web服務器的日志。經測試，系統通信正常且能穩定獲取環境數據，并可對區域內的環境數據進行及時處理與準確顯示。

圖3 傳感器終端模塊

圖4 系統平臺開發界面

圖5 Web服務器的日志

傳感器熱力圖界面如圖6所示。傳感器類型包括溫度傳感器、濕度傳感器等，可選擇最近一天查看環境熱力圖（熱力圖等級主要分為AQI優、AQI良、AQI輕度污染、AQI中度污染以及AQI重度污染），熱力圖等級可以通過閾值設置來顯示園區各區域的環境狀況。

圖6 傳感器熱力圖界面

系統平臺除了具有傳感器數據以及管理應用功能之外，還具備LCD屏，可以通過平臺制作節目功能制作節目，并通過TCP/IP協議將制作的節目內容發送給LCD屏，由LCD屏實時顯示。LCD屏環境數據報表如圖7所示，其為某一天之間的噪音、PM2.5、溫度以及濕度，報表中顯示的環境數據首先由傳感器模塊收集，然后由傳感器控制器傳輸至上位機軟件，并由上位機軟件上報給服務器，服務器在接收到環境數據后，首先將數據存儲至歷史數據數據庫中，然后系統再根據歷史數據計算每一時刻監測區域的環境數據，并以報表的形式顯示給用戶，同時將制作的節目發布至LCD屏展示給用戶。LCD屏與服務器之間采用TCP短鏈接，當監控系統制作完節目后，可發起連接請求，將節目發送到LCD屏，由LCD屏根據播放規則展示環境參數。

圖8所示為存在傳感器監測人流的報表數據，報表中顯示存在傳感器監測范圍的名稱、監測結果以及監測時間，便于用戶獲悉監測區域中出現人流的時間段，對環境進行改善。同時，在與路燈聯動后，一旦傳感器監測到人流或車流，可及時調整路燈光照度，達到節能的目的。

圖7 LCD屏環境數據報表

圖8 存在傳感器監測人流報表

3 結 語

物聯網技術在環境監測方面的應用前景廣闊，尤其在改善環境以及節能方面將大有作為。相信在不遠的未來，物聯網技術能夠更好地服務于環境保護事業。