城市公園環境監測預警系統的設計與實現

米西峰，郭天一，靳繼紅

（焦作師范高等專科學校，河南 焦作 454000）

0 引言

公園是城市的一張綠色名片，其生態建設水平和質量不僅體現了城市的環境綠化水平，同時也對城市生態環境建設、社會經濟發展、城市居民生活品質的提高起著極其重要的作用。

目前的城市公園生態建設往往依據傳統的經驗，種植一些綠色長青樹木，在池塘湖泊里養一些魚類，公園的空氣質量主要依靠自身的樹木花草來調節，這些遠遠沒有挖掘出公園的巨大潛力，也無法很好地實施公園的生態建設。另外，公眾在享受公園優美環境的同時，一些游客也給公園的環境管理帶來了一些負面影響：損壞花草樹木、污染湖泊池塘、隨意丟棄垃圾等，這些行為不僅破壞了公園的生態環境，也給管理人員增加了清理的負擔。如何實現公園生態環境的智能化管理成為擺在管理人員面前的一道難題。

本文基于目前城市公園生態環境現狀，利用物聯網、Zigbee（紫蜂）等技術開發一個環境監測預警系統，該系統可以實時采集公園監測區域內的環境信息，利用數據分析與挖掘技術對環境參數進行分析處理，且當環境參數異常時可以進行預警處理，不僅可以為城市公園后續的生態環境建設提供可靠的數據信息，而且可以使公園的自動化管理水平得到進一步提高，體現了城市公園建設的智能化、綠色化，同時也節省了人力資源，為有關部門進一步加強生態建設的舉措提供了建議及相應的數據支持。

1 物聯網在生態環境監測中的研究現狀

環境監測是環境保護的前提，因此，國內許多專家對物聯網在生態環境監測方面做了一些研究，并取得了一些階段性進展。魏東在文獻［1］中，提出為了了解生態環境質量現狀，評估其對生態系統與人民健康水平的影響，將物聯網技術應用于煤電基地生態環境監測，改善了現有監測技術自動化水平較低、成本較高、時空覆蓋面較低等問題。劉維棟在文獻［2］中，提出為了給青海省生態系統的各項服務提供科學量化指標，采用物聯網技術，形成天空地人一體化林業生態監測體系，為青海省生態立省戰略的實施提供了科學依據。

在河南省內，對物聯網在生態領域的監測研究較少且大多是針對某些特定應用而設計的監測系統，對公園這種比較復雜的環境區域的監測系統的有效研究則極為稀少。陳冬勤在文獻［3］中，提出利用物聯網及大數據技術，將航空遙感監測技術與地面監測手段相結合，設計了天地一體化的環保監管系統，達到對高速公路建設期環境保護實時動態監管的目的。楊曉在文獻［4］中，提出利用物聯網等技術，以省內某合作社為對象，設計并實現了基于物聯網的果品生產環境監測和果品質量溯源系統。張帥亮在文獻［5］中，提出采用物聯網技術設計用于作物生長環境監測的系統，可實現作物生長環境信息的采集并實時顯示。

物聯網技術已經廣泛應用在煤電、林業、高速公路建設、果品、作物生長等領域的數據監測中。而對于復雜的城市公園生態環境監測參數極少，而且多采用傳統的分區域、分時段、選取樣品的傳統人工監測方式，費時費力，監測數據不連續不全面。目前，物聯網技術在城市公園生態建設的應用還有很大的研究空間。

2 基于物聯網開發生態環境監測預警系統

物聯網就是把所有物體通過射頻識別等信息傳感設備和互聯網連接起來，實現智能化識別和管理[6]。目前，物聯網技術已經廣泛地應用在智慧農業、智能交通、智慧醫療、智慧環境等領域。

物聯網結構復雜、形式多樣、應用廣泛，根據信息采集、傳輸和處理的原則，物聯網的體系架構可以分為三層：感知層、網絡層和應用層。其中，感知層是物聯網中最基礎的一層，負責識別物體和采集數據，獲取環境狀態、行為態勢等靜態或動態信息。網絡層負責把感知層采集的信息可靠傳輸到應用層，是感知層和應用層之間進行信息通信的保障。應用層通過處理感知信息，為用戶提供多種應用服務。因此，應用層包括應用支撐子層和應用子層。應用支撐子層負責提供數據處理、共享以及互通等通用基礎服務；應用子層在應用支撐子層的基礎上，實現物聯網在不同領域的各種具體應用。

綜上所述，將物聯網技術應用在公園生態建設方面，設計環境監測預警系統，也需要從感知層、網絡層和應用層三個層面進行設計。

首先設計感知層。在城市公園中布置一系列傳感器，利用這些傳感器采集公園的環境參數：溫度、濕度、光照度、噪聲、水位、水溫等，并將采集的信息進行匯總；同時，在監測區域中部署相應的執行設備（如：加熱器等）。

其次設計網絡層。網絡層主要利用無線網絡將采集到的數據傳輸到控制中心的上位機上和云平臺上。

再次設計應用層。在控制中心的計算機上對接收到的環境參數進行存儲、顯示，而且還可以將采集數據傳輸至云平臺以實現信息的共享和互通。這些數據信息一方面可以為后續城市公園的環境保護、物種選擇和植被覆蓋等生態建設提供數據依據，另一方面當某項環境參數出現異常時（比如池塘的水溫過高），控制中心可以及時將該情況告知管理人員，并且能夠自動或者手動開啟相應的執行設備去解決問題。

根據以上的分析及設計思路，基于物聯網技術的城市公園生態環境監測預警系統的整體架構圖如圖1所示：

圖1 系統整體結構圖

在圖1中，感知層根據公園面積可以部署多個無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）監測區域，在每個監測區域中，各個傳感器節點負責采集環境參數，并通過路由節點傳送給協調器節點進行信息匯總，各個節點之間遵循Zigbee協議自組建無線傳感器網絡。考慮到公園面積一般比較大，Zigbee的拓撲結構采用星型結構。

網絡層利用現有的無線傳輸技術（如Wi-Fi）等將感知信息可靠傳輸至主控中心的上位機和云平臺上。

在應用層，上位機上可設計一款控制軟件用于實現對感知數據的處理及顯示，并存儲于信息存儲數據庫中；云平臺上的數據信息可以在需要時利用手機App等設備進行查詢或下載。同時，利用專家系統指導城市公園后續的生態環境建設。上位機和云平臺還可以根據當前采集數據與預先設置的閾值之間的差異，控制感知層的執行設備進行相應操作，達到調整環境狀態的目的。

3 系統模擬及分析

在筆者學校的實驗室對基于物聯網的生態監測預警方法進行了模擬。

首先利用傳感器、路由器等設備搭建硬件平臺，然后，在計算機上通過Visual Studio 2017軟件，使用C#語言編寫了主控軟件。軟件功能包括：管理員登錄、實時環境參數監測、歷史記錄查詢三項功能。其中，管理員登錄界面如圖2所示。

圖2 管理員登錄界面

在圖2的管理員登錄界面輸入正確的用戶名和密碼，點擊“登錄”按鈕，即可跳轉到“生態環境監測”界面，如3所示。“生態環境監測”界面包括實時環境參數監測和歷史記錄查詢功能。

圖3 生態環境監測界面

點擊“實時環境參數監測”按鈕，可以實時采集實驗室的環境參數，并將數據信息存儲于數據庫中，用于查詢以及作為公園環境建設的數據來源。某個時刻采集到的實驗室的環境參數如圖4所示：

圖4 某時刻采集的環境參數

如圖4中所示，系統自動地采集一系列環境參數，并將數據傳輸到計算機的主控軟件上，進行顯示和存儲。在該界面上，還可以設置溫度的界限值（比如，圖4中設置為26℃），而監測到的當前環境溫度為27.8℃，已經超過了溫度的閾值，此時，系統會顯示警示語“溫度高，請采取降溫措施！”。

點擊“歷史記錄查詢”按鈕，可以查詢數據庫中存儲的環境參數信息。某個時刻查詢的數據信息如圖5所示：

圖5 某時刻查詢歷史記錄

經過上述實驗，可以驗證該環境監測預警系統的可用性。另外，該系統具有良好的可擴展性和可移植性，可以根據實際場景需要增刪所需監測參數，以及增刪監測參數的閾值信息設置功能等。

4 結語

工業經濟的發展，使生態環境遭到了前所未有的破壞。為了踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態理念，建設生態城市已刻不容緩，而公園作為城市的名片，其生態建設必然是重中之重。在此背景下，本文提出了一種基于物聯網的城市公園生態環境監測預警方法。通過將物聯網技術應用于城市公園生態環境監測方面，實現了對溫度、濕度、光照度、空氣質量等環境參數的采集、傳輸、存儲與顯示等功能，改善了傳統環境監測方法無法全方位不間斷采集的弊端。本文設計的生態環境監測預警系統部署容易，成本不高，并且不需要太多的人力，適合城市公園生態環境監測領域；另外，該系統可以進行擴展和移植，若更換采集節點的傳感器類型，還可將該方法應用于其他領域，如公園的水質監測、沙漠綠植研究等方面。