基于物聯網技術的太湖新城環境預警與管理平臺設計

周穎芝　楊宏偉

摘要針對快速城市化過程中引起的城市近郊環境污染加重，對農業用水和農村生活造成了嚴重影響的環境問題，以及河網復雜的特點，從區域整體性和系統性的出發，采用物聯網技術，借助GIS平臺，構建了包括環境自動監測系統、網絡傳輸系統和環境預警及管理系統的太湖新城環境預警與管理平臺，為區域環境風險評估與預警平臺構建提供技術支撐，并為近郊的農業生產和環境保護提供重要信息。

關鍵詞太湖新城；物聯網；預警與管理平臺

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01250-02

基金項目國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07101013）。

作者簡介周穎芝（1989- ），女，江蘇無錫人，碩士研究生，研究方向：網絡技術。*通訊作者，副研究員，博士，碩士生導師，從事GIS研究。

目前，我國已經進入了環境污染事件的高發期，環境事件層出不窮。據不完全統計，我國1998～2006年平均每年發生1 600多起，而且近年來呈波動上升的趨勢。一些重大的環境事件如2005年松花江水污染事件、廣東北江鎘污染事件等[1]，因缺乏有效的監控和預警，未能及早發現、及時處理，嚴重危害了人民群眾的生命財產安全，造成了巨大的經濟損失，產生了深遠的社會影響。因此，對區域水環境生態進行全面的監測監控、預警評估及風險管理顯得非常重要。

國際上關于環境預警方面研究較多，早在1985年萊茵河保護委員會建立了環境預警中心[2-3]；1997年多瑙河流域針對水污染事故頻繁發生的問題建立了環境事故預警系統[4]。近年來，我國在環境預警方面也開展了大量的研究工作，如松花江污染應急決策支持系統[5]、長江沿江開發環境風險監控預警系統[6]。然而基于物聯網與GIS技術的環境預警平臺方面的研究鮮有文獻報道。物聯網技術作為一種新興的多學科交叉領域，廣泛應用于軍事、環境監測和預報、公共安全、精準農業、大型工業園區和倉庫等領域[7-8]。無線傳感器網絡具有支持大規模節點隨機布設、自動組網、多跳傳輸、協同感知、長期無人值守等重要特點，對于監控眾多的污染源點極為重要。

1研究區域概況

太湖新城緊依太湖的梅梁灣和貢湖灣，總面積約180 km2。區域內水網密布（圖1），共有大小河道約300條，總長約350 km。在21世紀初區域內是以耕地、果園、村鎮、水面和工礦企業為主的近郊村鎮，人口約20萬，目前正建設成為一個規劃人口100萬的中心城區。快速的城市化發展、城市規模的擴大可能導致環境的進一步惡化。產業高度集中于城市，在經濟活動過程中通過資源利用和能源消耗不斷排放出污染物，從而產生了很大的環境壓力，而經濟活動聚集所導致的人口集中又會加大環境質量破壞所帶來的損失[9-10]。研究區域緊鄰太湖，目前太湖新城河道水質狀況明顯劣于貢湖水質。由此可見，太湖新城河網水環境的好壞也將直接影響到太湖重要水源地貢湖灣的水質。因此，建立該區域環境預警與管理平臺具有非常重要的現實意義。

2環境預警平臺總體設計

環境預警平臺是根據物聯網的3層結構設計[11-12]：①以水氣自動監測的感知延伸層；②以3G網絡、中程傳感網和微傳感網的多層傳輸異構接入的網絡層；③以GIS為平臺的數據處理、模型計算和信息發布為主的業務與應用層（圖2）。平臺采用B/S結合C/S的架構方式，應用WebGIS技術圖2環境預警與管理平臺設計框架開發。

3系統的設計與功能

3.1感知層——數據采集系統采用多源的數據采集方式，全天候的水文氣象和水質在線監測數據，結合人工監測數據，確保環境監測數據的連續性和準確性。

氣象數據采集采用YFQXZ10自動氣象站。對空氣溫度、相對濕度、風向、風速、雨量、氣壓、太陽輻射、土壤溫度、土壤濕度等多種氣象要素進行全天候現場監測。

水質在線監測分為基站式和浮標式。基站式采用德國WTW公司設備監測水溫、電導率、酸堿度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數、氨氮、硝酸鹽氮、氰化物、總酚、石油類、水深、流速等；浮標式通常采用美國YSI公司的YSI6600型和HACH公司的HYDROLA-B型水質傳感器。

3.2網絡層——數據傳輸系統為了保證整個區域環境監測的覆蓋度和重點區域的環境監控，平臺設計了多層傳感網絡結構傳輸方式（圖3），即上層電信/聯通3G和互聯網傳輸、中層無線傳感網傳輸和底層分簇微傳感網傳輸。

基于3層傳感器網絡傳輸示意圖上層傳輸主要用于基站式在線水質監測，通常RS232/RS458連接電腦并通過有線網絡傳輸至控制中心。浮標式水質自動監測采用GPRS或CDMA進行通信。

中層傳輸主要采用無線傳感網技術。控制系統模塊采用超低功耗16位MCU PIC128GA110，并預設了充足的外接接口，使得每個控制系統模塊可以同時控制4個RS232接口的傳感器。通信組網模塊采用擴頻通信體制，其擴頻增益隨QoS動態調整，傳輸速率設定為9.6 kbps，通信算法在DSP中實現。目前大部分采用的是ZigBee協議[13-14]。它是基于IEEE802.15.4的一種新興短距離無線通信技術，其特點是低功耗、低速率、低復雜度、低成本等，但網絡同步實現比較困難，帶來的問題是沖突和重傳現象比較嚴重，功耗浪費較多。基于TDMA[15]的傳感器網絡MAC層算法，結合無線傳感器網絡的特點設計的自適應TDMA協議，但沒有解決同步問題。該研究設計了一種基于動態TDMA的傳感網協議，讓傳感器節點自組成網，形成多跳數據通路，并利用GPS時間進行同步和時隙池劃分，解決了全網同步問題，而且不會發生無線信息沖突。

底層采用分簇微傳感器網絡傳輸，主要針對重點防控區域布設。微網節點設計的重點是控制模塊功能設計，主要包含節點驅動設計和傳感器接口設計（圖4）。該研究設計的微網節點所用射頻模塊可工作于433 M，可支持FSK、GFSK、OOK多種調制模式，數據傳輸速率最高可達100 kbps，同時射頻模塊內部提供數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和射頻喚醒等功能。

微傳感網控制模塊設計3.3應用層——數據處理與管理系統應用層主要包括兩大系統：數據管理與處理系統和環境模擬預測與管理決策系統。數據管理與處理子系統主要負責海量數據的處理、存儲、管理、計算等。該研究數據處理的關鍵是如何將多源數據進行標準化，并通過關系數據庫Oracle11i平臺進行管理。針對采集數據的多源異構特點，采用XML的異構數據交換技術進行數據時空轉換和插值等處理。將自動監測數據、人工監測數據與空間信息有機結合，形成標準化的數據倉庫，并采用WebGIS平臺管理實時監測數據，繪制參數的圖表和空間分布圖。

作為應用層最重要的是為地方政府提供決策信息。為了能更加準確地估計環境污染引起的災害，該系統耦合了一維水動力模型和河網水質模型，并集成至GIS平臺，可對污染物擴散進行模擬。一旦某一地點出現環境事故，通過GIS系統可了解事發地點周圍的信息，對可能影響的范圍作出判斷，并對事故損失結果進行分析，決策部門可根據預警信息，制定與修改應急方案，公布警告信息。