基于物聯網的環境保護監測平臺研究

張江洪　程輝

摘 要：物聯網技術是一種全新的信息獲取和智能處理技術，集成了傳感器、嵌入式、網絡通信、數據挖掘等技術，受到國內外廣泛的關注，已在多種行業得到了廣泛的應用。本文將物聯網應用到環境監測，提高了對環境監控的能力，本文主要提出一種基于物聯網的環境保護監測平臺設計思路。

關鍵詞：物聯網；環境保護；監測平臺

隨著工業的迅速發展，環境問題已嚴重影響了社會的可持續發展。特別是長期以來粗放型經濟增長方式，使環境遭到很大破壞，已經影響到人類健康。物聯網是把傳感器嵌入或置入建筑、電網、橋梁、大壩、工廠等需要監測的物體中，傳感器實時采集現場的數據信息，然后通過網絡，將數據發送到監測中心，達到監測人員、監測中心對基礎設施實施有效的監控。實現對數據的智能化采集、傳輸和處理，達到“智能化”的狀態。實現物與物、人與物的連結，提高資源利用率、勞動效率和生產力水平，改善人與自然的關系。

1 物聯網在環境保護監測方面的應用現狀

環境監測是物聯網最先應用的領域之一，物聯網廣泛應用于生態環境監測、水質監測、大氣檢測、噪聲監測、降水監測、土壤監測、電磁輻射監測、排污監控、森林植被防護等。

1）大氣監測：把在線監測儀器、有毒或有害氣體傳感器布置在污染源、人群密集或敏感地區。當某監測點大氣發生異常變化時，傳感器將通過傳感節點將數據上傳至傳感網，最后交給應用層程序進行處理，應用層程序會根據事先制定的事故應急預案執行處理。

2）水質監測：水質監測包括飲用水監測和水污染監測。飲用水監測在水源安裝傳感器、攝像頭等設備，將水質的PH、SO2、鋁等指標值實時上傳到水質監測中心，實現對飲用水的監測和報警。水污染監測是在污水排放單位安裝污水自動分析儀器和攝像頭，對污水的 CODcr、TOC、NH3-N、流量等指標實施實時監控，并將污染信息發送到排污單位、監測中心，對污染事故做出及時有效的處理，防止重大污染事故的出現。

2 基于物聯網的數據挖掘

監測點及監測指標的大量增加，數據呈現海量級趨勢。用傳統的數據分析處理方法處理海量級的監測數據，其效率較低且不能有效給出監測點的污染等級和量化評價等信息。利用聚類分析和預測方法，可有效處理環境監測數據。

環境監測是對空氣質量、水質量進行監測。監測數據是海量級的。發現隱藏在其中的關鍵信息，僅靠人工發現是困難且不現實的，因此必須使用數據挖掘技術對數據進行分析處理。在監測系統中，相關的數據挖掘技術可對環境污染做出預測、評價，為環境監測提供智能化處理，給環境的防治工作提供有效幫助。本文從以下幾個方面研究環境數據的挖掘。

1）環境監測聚類分析：根據監測點的污染物指標值，利用聚類算法對監測點進行聚類。同一類中，監測點的污染情況基本相似。這樣容易區分哪些監測點的污染程度較小，哪些監測點的污染程度較大。經過聚類后，監測點被劃分到不同的類，以類為單位評價監測點，可有效降低數據計算量。

2）環境質量評價：根據環境質量標準等級，對監測點的水質或空氣質量進行等級評價，然后在 GIS 地圖上標出監測點的污染級別，這樣更能直觀反應環境污染情況。由于監測點較多，對它們分別評價，會產生巨大的計算量，因此需要計算出每個聚類中心，然后對聚類中心進行評價。

3）環境預測：監測平臺數據庫保存大量的歷史監測數據，通過對這些數據進行時間序列分析，可以挖掘出污染數據隨時間變化的情況，以便掌握污染情況的變化趨勢，提前做好防止污染措施。

3 環境監測系統的體系結構

根據模塊化設計思想，設計系統體系架構，并實現其中的關鍵模塊。環境視頻監控模塊利用視頻技術，可視化監控現場情況。地理信息系統模塊利用 GIS 技術，以空間形式存儲、管理監測點信息及顯示報警、預警和評價信息。SMS 短信模塊利用 SMS 技術，以短信方式報告環境污染信息。環境預報警模塊利用聚類分析和預測模型，評價環境質量狀況和預測數據變化趨勢。

1）系統體系結構：系統分兩個子系統：現場機系統和監測平臺。現場機系統運行在現場機上，接收現場儀器采集的數據，處理和打包數據，然后經網絡把數據發送到監測平臺，其分為數據采集、數據傳輸、參數設置和控制四個功能模塊。

2）環境視頻監控：環境視頻監控模塊實現對監測現場的可視化監控。該模塊基于科達視頻 CU 二次開發，從很大程度上降低開發的難度，提高開發的速度。其主要功能有：視頻瀏覽，圖像抓拍、視頻錄像、錄像回放、錄像查詢、云鏡控制和前端參數設置等，

3）地理信息系統：地理信息系統應用到環境監測，實現對監測點的空間管理。在地理信息系統中顯示報警和預警的信息，使監測人員能及時掌握環境污染的情況、環境污染的發生地等信息，為環境監測提供高效、直觀、方便的服務。

4）SMS 短信：利用 SMS（Short Message Service）短信實現以短信方式將污染超標監測點的基本信息、超標物質、超標數值等發送給監測人員，使監測人員即使不在監控中心，也能及時掌握環境污染信息。SMS 短信技術為環境監測提供新的監控手段，提高對突發事件的處理能力和效率。SMS 是一種存儲和轉發服務，通過 SMS 中心進行消息轉發。SMS 群發系統已經在銀行短信服務、零售行業短信、人才類短信、證券類短信、電力等行業得到應用。

5）數據傳輸：本系統開發的現場機系統采用 TCP 數據傳輸協議。如果通信雙方采用 TCP 連接，監測平臺的數據傳輸模塊工作過程是：啟動 TCP 服務，監聽是否有客戶端（現場機）的連接請求，如果發現有客戶端的連接請求，啟動一個新線程與客戶端建立 Socket 連接。然后通過此連接，監測平臺接收客戶端發送的數據和向客戶端發送監控命令。

6）環境預報警：環境預報警模塊對監測數據進行分析處理，為應急處理和領導決策提供準確的數據依據，由報警模塊、預警模塊、評價模塊三個子模塊組成。報警模塊判斷監測點是否出現超標現象，使監測人員能夠對環境污染突發事件做出有效、及時處理。預警模塊根據監測點污染指標值的變化情況預測污染指標值的發展趨勢，提前做好預警。評價模塊根據當前污染指標值，對監測點環境狀況做出評價。

4 環境監測系統設計思路

基于以上研究和系統需求分析，設計并實現基于物聯網的環境監測系統。系統主要分為監測平臺和現場機系統，提供監測數據實時獲取、環境報警、預測預警、信息共享和應急決策等。

1）系統需求分析：系統分兩個子系統即監測平臺和現場機系統。監測平臺具有數據傳輸、數據處理、數據查詢、統計和報表、實時報警、預測預警、遠程監控和維護、圖形顯示等功能。現場機系統具有數據采集、數據上傳、基本參數設置等功能。

2）系統主要處理流程：系統整體工作流程是：現場機發送數據前，判斷是否已與監測平臺連接，如果已連接，可向監測平臺發送數據，監測平臺也可向現場機發送指令；否則，現場機與監測平臺建立 Socket 連接，進行通信；監測平臺接收、存儲數據流程是：接收現場機發送的數據包，解析數據包，將數據存入數據庫，遠程控制是監測平臺向現場機發送控制命令，控制現場采集儀器的工作狀態和模式，其流程是：監測平臺選擇要控制的現場機，向其發送控制命令，現場機接收到命令后，分析和執行命令；數據查詢流程是：用戶選擇或輸入數據查詢條件，提交查詢，查詢結果以報表或曲線圖的方式顯示給用戶；

3）系統設計目標：系統利用物聯網技術實現采集監測點的環境數據，然后將數據上傳至監測平臺。監測平臺分析處理上傳的數據，判斷或預測污染指標是否超標，如果出現污染物超標，則進行報警或預警，同時通過 SMS 通知負責人，達到對環境突發事件有效、及時的處理。

4）系統總體框架：環境監測系統運用物聯網技術，采集現場數據、傳輸數據、分析處理數據、顯示數據。監測平臺安裝在環境監測部門，通過傳輸線路與現場機連接，接收現場機數據和處理數據，并向現場機發出采集和控制指令。 現場機安裝在污染源排放現場或要監測的地方，接收采集儀器的數據，同時通過網絡將數據上傳到監測平臺。現場機系統又稱現場數據采集系統，接收采集儀器發送的現場數據，處理和打包數據，通過有線或無線網絡連接，把數據上傳到監測平臺。現場機系統按工作過程分為三部分：數據傳輸、現場控制、數據處理和存儲。

5 總結與展望

物聯網技術的發展，為環境監測提供有效的監測手段。運用物聯網技術檢測對人類和環境有影響的各種物質含量、排放量、環境狀態參數和跟蹤環境質量的變化，為環境管理、污染治理、防災減災等工作提供基礎信息，為環境監督、執法提供可靠、有力證據。在企業排污口或對環境分析有重要意義的位置布置監測點，通過網絡將監測點采集的數據信息傳輸到監測中心，然后監測中心對數據匯總、分析和處理，最后以不同形式呈現給監測人員，實現對環境信息自動化、智能化管理，提高對環境污染事件監測、報警、預警能力。無疑，基于物聯網研究環境監測，將具有重大的應用價值。

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