環境監測中物聯網技術的應用

李宇超 王超 董鵬輝

山東微譜檢測技術有限公司 山東濟南 250101

目前，我國已經進入了環境污染事件的高發期，相關事件層出不窮。近年來我國方式的環境污染事故呈波動上升趨勢。基于物聯網的環境監測平臺是物聯網技術的重要應用之一，常用技術包括傳感技術、RFID標簽、嵌入式系統技術、Web 等，其中傳感技術已被廣泛應用于各監測領域。本文將物聯網應用于環境監測領域，利用網絡以及傳感器技術收集環境數據，并利用網絡技術將其顯示在 Web 界面，實現環境的實時監控和信息互享。用戶可在遠程監控環境的同時，采取相應的措施改善環境，真正實現環境監控的意義。

1 環境監測工作的重要性

中國幅員遼闊，地域寬廣，不同的地區存在的環境和氣候也不同。因此，在監測的過程中，需要注重的環境監測方向和存在的問題也各不相同。環境監測站的構建以及環境監測技術的提升，對于環境保護工作具有十分重要的意義。基于物聯網的環境監控系統架構，其包含物聯層、控制層業務層、應用層以及數據管理中心。物聯層包括傳感器伺服以及其他設備伺服，其中傳感器伺服包括傳感器終端模塊與上位機軟件，主要應用傳感器采集環境數據并將數據傳輸至控制層，控制層對獲取的數據進行分析、處理，形成一定的報表數據并傳輸至業務層，最終通過接口顯示給用戶[1]。

2 傳感器伺服

傳感器伺服包括傳感器終端模塊以及上位機軟件。傳感器終端模塊包括傳感器控制器和多種傳感器模塊，其中傳感器控制器共有三種通信方式與上位機軟件交互，分別為以太網接口，GPRS接口，以及RS485接口。傳感器控制器與多種傳感器模塊的通信同時支持I2C，SPI，TTL串口，電流電壓模擬輸入接口。傳感器控制器的核心模塊為STM32F107RC，用于支持傳感器控制器與上位機軟件以及多種傳感器模塊之間的數據交互。多種傳感器模塊包括光照度傳感器、粉塵傳感器、風速傳感器、溫濕度傳感器、噪聲傳感器、土壤含水量傳感器、CO2檢測模塊、CO檢測模塊、NH3檢測模塊、SO2檢測模塊、Cl2檢測模塊、HCl檢測模塊、H2S檢測模塊、NO2檢測模塊、VOC檢測模塊等，其中9種為氣體傳感器。上位機軟件基于Linux系統設計，主要支持傳感器終端模塊與系統服務器之間的數據通信。將傳感器數據接收并傳輸至服務器，同時將服務器相關指令傳輸至傳感器終端模塊[2]。

3 Web服務器功能的實現

Web服務器通過Tomcat部署，框架為SpringMVC。傳感器采集的數據與數據中心交互，進行一系列數據處理后，通過頁面反饋給用戶進行監測。監測系統的安全采用授權方式保障，后臺提供Restful接口，返回的JSON格式數據供第三方調用。系統內的終端設備通過UDP、TCP與Web服務器建立連接，可以上報數據以及接收控制命令。服務器主要包含數據采集模塊、數據庫管理模塊環境數據分析模塊、規則聯動模塊。服務器軟件使用Java語言編寫，服務器被啟動之后，可對接收端口進行監聽，一旦接收到客戶端的連接請求，服務器將啟動線程對客戶端上報的環境數據進行接收。模塊接收、提取信息后，將其存入數據庫，同時進行數據處理，以報表以及熱力圖的形式顯示給客戶。同時還可根據設計的規則，下發對應的控制指令，以改善環境。環境系統平臺通過服務器接收傳感器上報的數據，如PM10，PM2.5，SO2，NOx，CO，O3，TVOC，H2S，HCl，NH3，Cl2等污染參數，可滿足用戶對復雜污染狀況的監測需求，同時系統還可采集風速、風向、氣壓、溫濕度等氣象數據，將其作為環境監測原始數據，便于分析園區內的環境狀態[3]。

4 Web應用功能的實現

本監控系統采用Web頁面的方式展示環境監控結果。Web頁面使用HTML5、CSS3、JavaScript以及jQuery開發，通過Ajax技術調用服務端接口，得到環境數據，并將數據解析后通過圖表等形式展示。基于技術框架，將常用的任務和業務進行抽象化處理，形成通用方案，以避免大量的重復勞動。技術框架的出現縮短了開發周期，降低了開發成本，有助于任務邏輯的實現，能夠大幅提高軟件的質量。

5 數據庫的設計

由于需要將各區域的環境數據實時顯示在平臺，因此對環境數據的實時性要求較高，同時若要形成對環境的長期監測，則需要對一段時間的數據進行分析研究，并形成報表，所以還需設計實時數據庫以及歷史數據庫。Redis是一款開源的內存數據庫，可以存儲系統平臺需要實時顯示的熱點數據，可大幅提升實時數據查詢速度，并可通過配置對已查詢完的熱點數據進行即查即刪操作。

6 GIS技術

地理信息系統（GIS）技術是近些年迅速發展的一門空間信息分析技術，其在資源與環境應用領域具有技術先導作用。GIS技術不僅可以有效管理具有空間屬性的各種資源環境信息，對資源環境管理和實踐模式進行快速和重復的分析測試便于制定決策、進行科學和政策的標準評價，而且可以有效對多時期的資源環境狀況及生產活動變化進行動態監測和分析比較，以提高工作效率和經濟效益，為解決資源環境問題及保障可持續發展提供技術支持。

7 結語

物聯網技術在環境監測方面的應用前景廣闊，尤其在改善環境以及節能方面將大有作為。相信在不遠的未來，物聯網技術能夠更好地服務于環境保護事業。