基于物聯網的環境監測系統設計

劉皎 曹榮榮

摘? ?要：文章設計了一種基于物聯網的環境監測系統，該系統主要采用ZigBee傳感網絡實時采集大氣環境數據，并利用4G無線通信技術對采集到的各種數據進行實時傳輸。該監測系統能夠實現對環境溫濕度、CO質量分數、NOx質量分數、PM2.5質量分數等參數進行實時顯示及存儲功能。

關鍵詞：物聯網;環境監測;Zig Bee

物聯網技術已經在多個領域有了廣泛的應用，如智能環境監測、智慧交通、智能家居、智慧消防以及智能醫療監測等方面[1-3]。隨著經濟的高速發展，環境問題也日益嚴重，對環境監測工作的要求也越來越高。將物聯網技術引入到環境監測中來，不僅能夠解決以往實時性差等問題[4-6]，更能夠提高監測數據的實時性及準確性[7-8]。本文基于物聯網技術設計了一個環境監測系統，利用物聯網對環境中的有害氣體進行精確檢測，并通過無線網絡將數據實時傳輸到監測中心，進行數據的顯示、存儲及分析。通過對環境監測數據的統計及分析，可以制定出適合本地的環境保護措施及方案，以達到環境保護的目的。

1? ? 物聯網關鍵技術

物聯網通常采用分層架構實現（見圖1）。自下而上依次為感知層、網絡層以及應用層。感知層主要是利用各種類型的傳感器實現物體特征的信息收集，網絡層則基于各種通信協議進行數據信息的傳輸，應用層是指系統的實際應用，是對獲取的各種信息進行智能化處理后與各種實際應用相結合后的結果。

2? ? 環境物聯網關鍵技術

基于物聯網的環境監測系統的總體結構如圖2所示，包括了應用層、網絡層以及感知層。

2.1? 應用層

應用層是環境物聯網系統的最終用戶，包括環境物聯網的應用門戶及業務應用系統。門戶主要為環境物聯網的各種用戶提供入口及交互界面。應用系統包括了環境質量監測、污染源監控、環境風險應急處理及其綜合管理和服務等。應用層以IT基礎設施、軟件服務為依托，支撐環境物聯網應用系統，將從感知層采集到的各項數據信息進行處理、分析、顯示以及存儲，使用戶對監測現場的大氣環境情況的了解更為直觀、更為清楚。

2.2? 網絡層

網絡層主要由環保部門的政務專網、電信網、互聯網等組成，支持各環保部門之間的環境信息數據傳遞。網絡層主要進行數據信息的傳輸，包括了近距離傳輸和遠距離傳輸兩部分。近距離傳輸主要采用ZigBee、WiFi、藍牙等技術[10-11]，而ZigBee技術具有低復雜性、低功耗、低成本、網絡節點數多等優點，因此，在近距離傳輸時采用ZigBee方案。在遠距離傳輸時，由于4G網絡具有容量大速率高的特點[12-13]，所以采用4G網絡進行遠距離傳輸。

2.3? 感知層

感知層主要利用ZigBee無線傳感網絡來實現大氣環境數據的采集，其中包括CO、SO2、NOx粉塵顆粒濃度等參數的監測。ZigBee無線傳感網絡由位于監測區域的一組低功耗、低成本、具有數據采集、數據存儲、數據處理和數據收發的傳感器節點組成。

3? ? 系統設計

在ZigBee網絡中的傳感器節點包括了終端節點及路由節點，來實現數據的采集以及傳輸功能。兩種節點之間的差異在于，終端節點在完成數據采集之后將自身數據發送出去，而路由節點在發送自身采集數據的同時還需要轉發其子節點采集的數據，以實現數據信息的多跳傳輸。ZigBee無線傳感器網絡的傳感器節點主要由傳感器模塊、數據處理模塊、主控制器模塊、無線通信模塊、電源模塊組成。

網關節點主要負責組建ZigBee網絡并匯總各個傳感器節點發送的數據信息，控制4G模塊與遠端服務器通信并上傳數據。網關節點由電源模塊、ZigBee無線通信模塊、主控制器模塊以及4G模塊組成。ZigBee網絡中的協調器為無線通信模塊，利用CC2530芯片實現。主控制器模塊是網關節點的核心，選用LPC2138芯片實現，處理能力強，運算速度快。主控制器模塊的主要功能是實現網關節點上的ZigBee無線通信模塊進行通信、收發數據，并能夠控制4G通信模塊與遠端服務器通信、上傳數據。

終端的監測軟件是由VC編程完成，包括監測系統的登錄界面、數據監測顯示以及數據存儲3個部分。在該監測軟件上能夠完成服務器與客戶機的數據傳輸及數據顯示，并將所獲數據存儲在后臺數據表格之中，以便用戶對數據的查看及分析。

4? ? 系統測試

在監測中心點擊進入監測主界面之后，首先，啟動服務器與客戶機通信，當這兩者通信完成后，服務器便可接收客戶機發送的數據。其次，利用控件實現數據的顯示，可實現數據的實時存儲。在系統測試過程中，將各類傳感器安置在不同監測點以采集相關數據。測試時，共設有兩個監測區域，每個監測區域包含3個傳感器節點，每30 s完成一次數據采集，并通過 ZigBee無線傳感網絡及無線通信模塊實時地將采集的數據上傳到監測中心服務器上并顯示，數據顯示界面如圖3所示。

5? ? 結語

本文設計了一個基于物聯網的環境監測系統。該系統具有低成本、可靠性強、時延短、智能化、可擴展性強等優點，彌補了傳統環境監測系統的不足之處。將物聯網技術應用到環境監測中，使環境監測的實時性及準確性得到極大的提高，同時，為整個社會的綠色發展起到了極大的推動作用。

項目基金：2018年第一批產學合作協同育人項目;項目編號：201801082072。商洛學院科研基金項目;項目編號：16SKY006。商洛學院2018年根植地方行動計劃立項資助項目;項目編號：gz201834。

作者簡介：劉皎（1986— ），女，陜西商洛人，講師，碩士;研究方向：通信與信息系統。

[參考文獻]

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Abstract：An environment monitoring system based on Internet of Things is designed. The system mainly uses ZigBee sensor network and wireless communication technology to collect and transmit the atmospheric environment data monitored by each sensor node within the monitoring range. The monitoring system can realize real-time display and storage functions of parameters such as ambient temperature and humidity， CO mass fraction， NOx mass fraction， and PM2.5 mass fraction.

Key words：Internet of Things; environmental monitoring; ZigBee