基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究平臺

摘 要：本文通過對重點污染源排放狀態(tài)的自動監(jiān)控，及時、準(zhǔn)確、全面地反映環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及趨勢，為環(huán)境管理、污染源控制、環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境評價提供客觀的科學(xué)依據(jù)，采用了計算機、通訊和自動化領(lǐng)域最新的產(chǎn)品和技術(shù)，從而構(gòu)建新一代的污染源在線自動監(jiān)測（監(jiān)控）系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境；檢測（監(jiān)控）；平臺

哥本哈根氣候峰會在2009年12月舉行，許多國家希望達成一份具有約束力的二氧化碳減排協(xié)議。與此同時，各國都陸續(xù)將物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)上升到國家戰(zhàn)略的層面，旨在通過物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用實現(xiàn)節(jié)能減排，成就低碳經(jīng)濟。物聯(lián)網(wǎng)作為低碳經(jīng)濟革命的技術(shù)創(chuàng)新之一，是要在能源流的整個過程中提高能源生產(chǎn)率和降低二氧化碳的排放。低碳經(jīng)濟社會的特點是要建立能源互聯(lián)網(wǎng)，使得不同形式、不同時空的能源可以得到聰明的使用。這既可以大幅度地減少能源消耗和二氧化碳排放，同時又可以大幅度地提高人們的生活質(zhì)量和便利性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

擬采用三層架構(gòu)：底層節(jié)點包括信息采集設(shè)備等；中間層由車載設(shè)備節(jié)點或多跳轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備構(gòu)成；上層由位置固定的網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成。

1.2 平面型環(huán)境監(jiān)測氣體傳感器

氣體傳感器：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展MEMS技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。

1.3 環(huán)境與氣象監(jiān)測信息處理中心及通訊終端

監(jiān)控中心采用標(biāo)準(zhǔn)的B/S系統(tǒng)架構(gòu)，同時采用通用的軟、硬件產(chǎn)品，并規(guī)范數(shù)據(jù)存儲格式，使系統(tǒng)具有兼容性強、規(guī)模易擴展的特性。定制移動終端采用CPU+DSP核的硬件架構(gòu)，可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理能力。豐富的外部接口和高亮度大屏幕，堅實的外殼能很好滿足特殊要求。終端采用VISION公司的VISION225+TI公司的OMAP5910構(gòu)成的硬件平臺。

2 系統(tǒng)技術(shù)難點分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要研究的內(nèi)容是異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與平面型環(huán)境監(jiān)測氣體傳感器。

2.1 異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

信息采集節(jié)點：由傳感模塊和數(shù)據(jù)處理傳輸模塊組成，能夠自組織成無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。傳輸距離50-100米，功耗休眠期10mW，工作時間100mW，傳輸距離可擴展為500米，接口包括模擬4-20MA和RS485接口。車載節(jié)點和多跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點：是具有較強數(shù)據(jù)收集能力的中心節(jié)點，把傳感節(jié)點匯集來的數(shù)據(jù)進行接收和處理，傳輸距離500-1000米，功耗隨傳輸距離變化。網(wǎng)關(guān)節(jié)點：把車載節(jié)點和多跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點通過Internet轉(zhuǎn)發(fā)給中央控制系統(tǒng)，具有無線接入網(wǎng)絡(luò)和寬帶接入網(wǎng)絡(luò)功能。終端設(shè)備：是由能夠上網(wǎng)的PC、PDA或智能手機構(gòu)成，實現(xiàn)遠程瀏覽。中央控制管理：通過節(jié)點收集的各類信息最終匯總到中央控制系統(tǒng)，自主設(shè)計開發(fā)的中央控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)多方面的功能。監(jiān)測區(qū)域的可視化展示：可以以三維立體的方式觀察到監(jiān)測區(qū)域和各節(jié)點所處位置。數(shù)據(jù)分析處理：可實時顯示目前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對歷史數(shù)據(jù)進行顯示、分析、繪圖和管理等操作。節(jié)點控制：可通過中控系統(tǒng)，實時查看各節(jié)點的工作狀態(tài)、路由信息，并對其進行控制。反饋控制：可通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的下行通道，對相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出指令，進行反饋控制。

2.2 電化學(xué)傳感器技術(shù)方案特點

化學(xué)氣體傳感器由貴金屬催化電極、鉑絲引線、氣體傳感器外殼、電解液及其它輔助材料組裝而成，所用材料中貴金屬催化電極、電解液為自加工配套生產(chǎn)，鉑絲引線、氣體傳感器外殼為外部購件。綜合運用了納米材料制備技術(shù)合成核心功能材料、采用催化劑表面修飾技術(shù)、傳感器表面選擇性介孔分子篩制造技術(shù)、機械片式高分子材料自動拉伸復(fù)合透氣膜制造技術(shù)、精密絲網(wǎng)印刷技術(shù)等先進技術(shù)，創(chuàng)新性強，技術(shù)含量高。

2.3 高效的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

基于各種特定應(yīng)用環(huán)境特征（基于時間、空間特征和網(wǎng)絡(luò)、終端屬性）和規(guī)律，提取適用于資源極度受限條件下的微型特征庫。進一步根據(jù)環(huán)境特征動態(tài)協(xié)同調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸策略，減少信號沖突，降低資源開銷。提出網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、協(xié)同動態(tài)感知環(huán)境上下文算法，基于上下文感知設(shè)計自適應(yīng)優(yōu)化MAC協(xié)議，提出適應(yīng)于多信道多收發(fā)器（MIMO）的協(xié)作式MAC協(xié)議。

2.4 跨層優(yōu)化設(shè)計

基于最優(yōu)代理提供不同協(xié)議層之間信息的交換與控制的機制，以改善異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能；基于信息返回的事件驅(qū)動模型和跨層數(shù)據(jù)共享與同步機制模型；定義新型可擴展的層間接口和各層之間的邊界，提出各層之間協(xié)同的聯(lián)合調(diào)度機制。

2.5 安全機制

基于多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下（現(xiàn)有的安全機制），結(jié)合各子網(wǎng)絡(luò)的特征，在資源（如：電池能量、計算能力等）嚴(yán)重受限的情況下，研究多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的安全體系結(jié)構(gòu)；在多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，研究以安全性為目標(biāo)的新型路由機制；針對資源嚴(yán)重受限的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（傳感器網(wǎng)絡(luò)）環(huán)境，提出高效率的加密算法。

異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種低成本、低功耗、多跳、多頻、多點對多點通信的自組織的無線傳感網(wǎng)解決方案。可根據(jù)不同的需求特征分為四種系列產(chǎn)品，可以廣泛應(yīng)用于氣象與環(huán)境監(jiān)測、建筑、礦山、倉儲、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。

其中，A系產(chǎn)品是首要研發(fā)的基礎(chǔ)系列有功能全、功耗低等特點；D系和B系拓展A系產(chǎn)品的通信能力，在穩(wěn)定性、距離和帶寬方面均有提高，其中D系側(cè)重距離，B系側(cè)重帶寬；C系產(chǎn)品是外掛通信模塊、自身只具有核心組網(wǎng)協(xié)議但運算速度很高系列產(chǎn)品，用于一些特殊應(yīng)用場合。

3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

定制移動終端采用CPU+DSP核的硬件架構(gòu)，可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理能力。豐富的外部接口和高亮度大屏幕，堅實的外殼能很好滿足特殊要求。終端采用VISION公司的VISION225+TI公司的OMAP5910構(gòu)成的硬件平臺。主處理器OMAP5910為ARM9內(nèi)核心+DSP構(gòu)架，運行操作系統(tǒng)和進行圖像，數(shù)據(jù)的處理，VISION225實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸通訊。軟件采用Windows Mobile 6.0操作系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)主要研究目標(biāo)

4.1 異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分

選擇評估不同無線頻率的傳輸特性，測試抗干擾性指標(biāo)和電磁兼容指標(biāo)，確定異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的基本工作方式。基于自適應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由機制，在具有多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下實現(xiàn)零配置動態(tài)組網(wǎng)機制，設(shè)計異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔芾砗妥詣釉\斷與恢復(fù)機制，實現(xiàn)高容錯的特征并進行驗證。基于上下文感知設(shè)計自適應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，基于跨層優(yōu)化思想設(shè)計高效的路由協(xié)議，開發(fā)信息采集節(jié)點、信息發(fā)布節(jié)點、車載設(shè)備、轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，實現(xiàn)基本的網(wǎng)絡(luò)管理和路由。

4.2 平面型環(huán)境監(jiān)測氣體傳感器部分

按照高精度、高敏感的要求，開發(fā)新型氣體傳感器，達到批量生產(chǎn)的工藝要求。檢測VOC的氣體傳感器，對甲苯，苯，丙酮檢測下限在1ppm以下；測硫化氫的氣體傳感器，其檢測下限在1ppm以下，而且響應(yīng)恢復(fù)時間快，響應(yīng)時間小于10秒， 恢復(fù)時間小于30秒；用于檢測二氧化氮的氣體傳感器，對二氧化氮有很高靈敏度，檢測下限在0.5ppm以下，而且元件功耗低，小于160毫瓦；用于檢測氟利昂的氣體傳感器，對氟利昂有高靈敏度，檢測下限在30ppm以下。

4.3 環(huán)境與氣象監(jiān)測信息處理中心部分

對信息中心的技術(shù)平臺進行搭建；做出需求分析并完成信息中心的系統(tǒng)設(shè)計。完成信息中心進行代碼設(shè)計、編寫并進行整體的系統(tǒng)測試達到交付使用的目標(biāo)。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

⑴實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系列節(jié)點平臺，滿足小型化、低功耗、長距離通信和功能可擴展等實際應(yīng)用需求。在節(jié)點小型化、低功耗設(shè)計上，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計，合理利用處理器多種工作模式，采用片上系統(tǒng)（SOC），實現(xiàn)了系統(tǒng)功耗最低化；在長距離通信節(jié)點設(shè)計上，通過低噪放大器和功率放大器提高信號接收靈敏度和發(fā)送功率滿足長距離通信需求。

⑵實現(xiàn)了適用性強、低功耗、高連通度的異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，并針對節(jié)點定位需求，設(shè)計了盲節(jié)點定位方案。

基于跨層優(yōu)化設(shè)計的協(xié)議，具有報文負(fù)載小、網(wǎng)絡(luò)通信量少、易于部署和維護等特點，很好地解決了安全監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求。

⑶實現(xiàn)了基于CDMA/GPRS/3G技術(shù)的遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)控需求。

同時，異構(gòu)自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同系列產(chǎn)品還在此基礎(chǔ)上，有針對性地對實現(xiàn)性能的進一步提升，以滿足各行業(yè)不同的需求。

6 結(jié)論

從全國的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，我國的環(huán)境污染惡化的趨勢已得到基本控制，環(huán)境質(zhì)量有所改善，但是污染仍處于相當(dāng)高的水平。因此迫切需要大量的現(xiàn)代化的環(huán)境監(jiān)測儀器，特別需要優(yōu)質(zhì)的自動監(jiān)測系統(tǒng)和污染源在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。面對嚴(yán)峻的環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化的形勢，對環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及變化趨勢進行實時、準(zhǔn)確的大量監(jiān)測，對污染源及其治理進行監(jiān)督監(jiān)測，是擺在全國環(huán)境保護工作者面前最艱巨的任務(wù)之一。