基于物聯網技術的大氣污染環境監測及其治理研究

李宇佳

(北京市通州區生態環境局，北京 101101)

隨著科學技術和工業技術的高速發展，大氣環境的污染問題越來越嚴重，并且污染的類型也從單一的城市型污染緩慢變換成以地域污染以及煤煙污染等構成的混合型污染[1-2]。大氣環境的日益惡化，造成部分地區的灰霾天氣常常出現，嚴重影響生態環境和人們生活[3-4]。因此，環境污染成為世界學者的一個研究熱點，亟待對大氣環境的監測方法進行研究。近年來，大氣環境的治理不斷深入，對大氣環境的質量監測、污染物控制等方面均提出更為嚴格的要求[5]。目前常用的監測手段有利用植物對大氣環境進行監測[6-8]，通過對比不同植物在一段時間內出現的變化，進而判斷該地區存在的污染物，該方法在監測環境的同時還能美化環境，受到廣泛關注，然而該方法存在受地區限制和監測時間長等不足。此外，還有利用Web的遠程監控系統對工廠企業的廢水以及廢氣進行規范化管理，有效降低污染物的排放[9-10]；利用地理信息系統建立相關監測系統，觀測大氣污染區域及擴散范圍[11-12]。目前的研究存在監測效率低、覆蓋面小和數據反饋延遲的問題[13]，需要研究一種有效的環境污染監測方法，進而提高對大氣環境的監測效率。射頻識別的物聯網技術能夠有效提高數據采集以及之間的交互[14-15]。本文基于該技術建立大氣污染環境監測系統，實現對空氣質量數據的有效分析。首先分析基于射頻識別的物聯網技術，并建立大氣污染監測系統。通過所建立系統和傳統監測進行對比實驗，驗證所建立系統的有效性。此外，根據研究結果對造成環境污染的主要原因及其治理方法進行分析討論，結果具有一定的工程實際意義。

1 大氣污染監測系統總構架設計

1.1 物聯網技術基本工作原理

1.1.1 物聯網基本構架

世界各地的人民通過互聯網將彼此緊密地聯系在一起，而物品則可以通過采用射頻自動識別技術RFID(Radio Frequency Identification)的網絡進行相互聯系，利用彼此的交互構成全球性質的實際物品互相關聯的網絡，即物聯網。物聯網主要由3個模塊構成，分別為射頻自動識別RFID系統、Savant System、Internet System，具體結構[16]如圖1所示。

圖1 物聯網基本結構Fig.1 Basic structure of Internet of Things

其中，射頻自動識別RFID系統主要承擔對電子標簽信息展開識別與解碼，并傳遞至專家系統，利用對象名解析服務器ONS(Object Name Service)和PML服務器進行進一步的處理和分析，最終將處理結果傳輸至網絡系統，將所處理的信息進行有效的存儲和管理。

1.1.2 射頻識別技術構架及原理

物聯網系統中的RFID系統能夠有效實現非接觸的雙工數據通信，進而對物品展開有效識別。因所使用的環境不同，RFID系統的構成也將不一致，然而該系統的基礎結構都是由電子標簽識別、閱讀器讀取以及數據交互管理3個模塊構成。RFID系統的電子標簽主要有芯片以及天線2大部分，并且各個芯片均有獨立的電子信息。RFID系統的主要運行方式如圖2所示。此系統主要是利用無線電接收裝置以及傳感器接收裝置實現數據信息的相互傳輸。該射頻自動識別系統首先通過閱讀器將固定頻率射頻信號利用天線進行傳輸，天線中會產生一定的感應電流，進而讓電子標簽激活并將自己的信息數據傳輸至閱讀器。當閱讀器獲得該電子標簽信息數據后進行解析，再利用數據交互管理模塊進行進一步處理。

圖2 RFID系統的運行方式Fig.2 Operation mode of RFID

1.2 大氣污染監測系統總構架設計

為了更好地對大氣污染情況進行有效監測，建立基于射頻識別物聯網技術的大氣污染環境監測系統，該系統主要由感應系統、網絡傳輸系統、實際應用系統以及PCR干擾模塊系統組成，其系統主要結構框架如圖3所示。該監測系統通過4個子系統的互相配合實現對大氣污染信息的收集以及信息數據處理，進而對環境污染情況展開有效分析。感應子系統是通過設置在各地方的大氣污染檢測傳感器對大氣環境的實時狀態進行有效監測。傳感器主要利用微型氣體檢測方法以及有害氣體檢測方法，并結合全球定位系統技術實現對大氣環境中存在的不同氣體含量以及有害氣體含量數據信息進行有效獲取。所獲取的氣體含量數據信息通過網絡傳輸子系統的無線通信方式傳輸至中央服務器中進行分析。

圖3 大氣污染監測系統總構架Fig.3 General framework of air pollution monitoring system

中央服務器系統主要用于數據信息的篩選、剔除無效數據、提取有效數據并分類存儲有效數據信息。同時該服務器系統中的RFID物聯網技術能夠對所存儲的數據信息進行特性解析，進而獲得大氣環境污染信息的光譜頻率結果，進一步分析大氣污染程度，達到實時監測的目的。

實際應用子系統主要作用是利用人機交互方式將獲取的中央服務器系統的分析結果更為直觀和有效地呈現給用戶，讓用戶能夠及時采取有效地治理措施。

PCR干擾子系統主要作用是加強整個大氣污染監測系統的數據監測以及解析能力。該系統利用數據融合濾鏡方法得到數據信息中的受干擾數據，對其進行進一步分析，實現對全系統的數據信息監測以及解析。

2 大氣污染監測系統實現

設計基于射頻識別物聯網技術的大氣污染環境監測系統主要有系統硬件設計以及系統軟件設計2個方面。

系統硬件設計主要包括了雙片機、大氣環境傳感器、無線USB接口以及人工智能芯片。其中雙片機采用高性能、低損耗的微型控制器，并設置有在系統中能編程的儲存器。大氣環境傳感器主要采用了音頻、赫茲以及電磁場傳感器，實現對不同氣體含量的有效檢測。并利用無線USB接口對數據進行有效傳輸，該接口采用雙驅500 Hz以及五驅1 kHz相結合的方法，通過ISQ通信方式完成不同模塊間相互的數據信息傳遞。人工智能芯片作為雙片機的核心控制芯片，其主要參數見表1。

表1 人工智能芯片主要參數Tab.1 Main parameters of artificial intelligence chip

系統軟件設計主要采用了射頻識別物聯網技術。此系統在各個大氣污染檢測傳感器中均配置CDP通信模塊，并利用無線通信技術將其與中央服務器系統連接，進而建立覆蓋面廣、性能穩定的大氣污染監測網狀互聯網，結構如圖4所示。

圖4 大氣污染監測系統網狀結構Fig.4 Network structure of air pollution monitoring system

此外，系統有效利用了GPS信息系統構建空間信息，結合設置傳感器所獲取的數據信息，利用中央服務器處理后，呈現出直觀的污染分布情況，進而分析污染源可能所處的區域。

3 應用效果分析

3.1 監測效果對比

為了對所建立的基于物聯網技術的大氣污染環境監測系統的有效性進行驗證，設計在現實的大氣環境中，利用所建立的系統與傳統監測系統對大氣環境污染氣體進行監測，并對比其效果。有關參數設定：將網絡傳輸系統與實際應用系統的交互側接口設置為0，各類大氣傳感器控制命令的概率設置為5，充電下游端口的使用電壓為0.3～2.5 V。

通過實驗所獲得的實驗結果如圖5所示。從圖5中可以看出，所建立的基于物聯網技術的大氣污染環境監測系統在相同時間內能夠監測出更多的大氣污染源。當監測時長達到10 min時，所建立的監測系統監測出大氣環境可能存在9個污染源，但是傳統的監測結果僅得到3個污染源；當監測時長達到20 min時，所建立的監測系統監測出大氣環境可能存在20個污染源，但是傳統的監測結果僅得到6個污染源；當監測時長達到60 min時，所建立的監測系統監測出大氣環境可能存在70個污染源，但是傳統的監測結果僅得到25個污染源。通過結果分析表明，所建立的基于物聯網技術的大氣污染環境監測系統具有更高的監測效率，監測大氣污染源能力更強且更準確。

圖5 2種方法監測實驗結果對比Fig.5 Comparison of two methods of monitoring experimental results

3.2 污染物濃度變化

應用所建立的基于物聯網技術的大氣污染環境監測系統對中國北方某城市進行四季主要污染物的監測，包括對PM2.5(表示在大氣中當量直徑不超過2.5 μm的顆粒物)、PM10(表示在大氣中的可吸入顆粒物)、NO2以及SO2等，其實驗結果如圖6所示。從圖6可以看出，該城市的大氣環境受季節的影響效果較為顯著，其中在夏季所有污染物的濃度均為全年最低水平，在春季所有污染物的濃度處于中等水平，在冬季PM2.5、NO2以及SO2污染物的濃度均高于秋季。因在秋季氣溫大幅度降低，空氣沉積在地表，造成污染物難以擴散，且冬季存在雨雪天氣，在一定程度上對空氣有一定凈化作用，也造成其污染物濃度低于秋季；然而在秋季PM10污染物的濃度均高于冬季，可能由于在秋季對落葉枯枝焚燒量增大造成。在冬季因為氣溫的降低，不僅造成大氣層產生逆溫效應，導致空氣中污染物難以擴散；生活中供暖增加，造成燃煤量大大上升，進而產生大量的污染物，這些原因共同導致冬季污染物濃度增加，大氣污染加重。

此外，在該城市中PM2.5以及PM10在空氣質量最佳的夏季其濃度也存在超標現象，且在全年中大氣污染物占比最大的污染源成為該城市大氣污染的主要源頭。NO2以及SO2污染物的濃度在春天和夏天仍處于較低的水平，但在冬天和夏天其濃度大幅度上升，造成大氣污染大大加重。

4 討論

4.1 空氣污染主要原因

一個地方的空氣污染主要是由自然環境和人為作用引起的。其中，自然環境因素中受到季節、地形的影響較為嚴重。文中所涉及的城市地處北方，在冬天環境溫度低，大氣產生逆溫現象，造成污染物沉積在地面附近，較難擴散，并且隨著在冬天供暖需求的增加，產生了大量的污染物，進而共同造成該城市冬天污染嚴重。在夏天溫度上升、空氣流通大且雨水充足，因此對大氣環境有一定的凈化作用。此外，由于該地處于黃河沖積平原，其土地存在大量的細砂以及粉細砂，在天氣比較干燥的春天和秋天中，該粉塵容易飄散在大氣中，進而在一定程度上加劇了空氣污染的程度。

隨著人們科技生活水平的持續提高，人為因素對環境污染的影響也越來越大。城市建設的腳步越來越快，城市中拆遷、施工、建設等行為頻繁，引起大氣環境的顆粒物大大增加。同時，因建筑物越來越密集，高度也越來越高，也造成城市空氣流動大大下降。此外，由于工廠以及車輛的持續增加，其廢氣排放也成為加重大氣污染程度的重要因素。

4.2 大氣污染治理方法

隨著社會的持續發展，國民生活水平和經濟收入持續提高，同時也對大氣環境造成了一定破壞。

針對該城市所存在的主要污染物PM2.5以及PM10，應對建設工地進行有效的管理。例如對工地堆放的石頭、沙子等工地用料進行遮蓋，防止塵土隨風飄揚；在工地周邊通過噴灑水的方式降低塵土的擴散。此外，應合理規劃城市的現代化建設，減少大拆大建，合理安排拆遷和建設，有效降低空氣污染以及資源浪費。

針對大量汽車尾氣的排放，應嚴格執行超標機動車的報廢，倡導鼓勵用戶購買符合新環保標準的汽車，禁止污染嚴重的機動車上路。隨著科學技術的不斷進步，新能源汽車也逐漸發展，應進一步大力推廣新能源汽車的使用。通過優化產業結構，減少污染產業，大力發展環保產業。大力發展電子商務產業，并把該產業和傳統的行業相結合，大力提高不同產業之間的配合，構建跨領域的新興環保產業鏈。

加強環境保護，優化產業結構，能夠加快科技進步，驅動行業升級，提高行業競爭力，實現社會經濟以及環境保護的可持續性發展。

5 結論

本文主要研究了基于物聯網技術的大氣污染環境監測系統。首先對基于射頻識別的物聯網技術工作原理進行了分析，并建立由感應系統、網絡傳輸系統、實際應用系統以及PCR干擾模塊系統構成的大氣污染監測系統。并在現實的大氣環境中，利用所建立的基于物聯網技術大氣污染環境監測系統和傳統監測系統對大氣環境污染氣體進行監測，其結果表明所提系統能夠在更短的時間內監測出更多的污染物，具有更高的監測效率，監測大氣污染源能力更強且更準確。此外，利用該方法對北方某城市進行分析得出，該城市大氣污染受到季節變化的影響顯著，呈現出夏季空氣質量好、冬季較差的結果。根據空氣環境污染的主要影響因素，提出相應的優化產業結構、提倡使用新能源汽車等治理方法，加強環境保護，實現社會經濟以及環境的可持續性發展。