潘 燕

（上海電器科學研究院 上海市智能電網(wǎng)需求響應重點實驗室，上海 200063）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突出，如大氣霧霾導致能見度低下；工業(yè)制造、建筑制造產(chǎn)生粉塵和噪音等問題；車輛、化工等破壞大氣臭氧層，導致全球溫度升高。這種情況下，對環(huán)境進行監(jiān)測和保護尤為重要。

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感設備，按照約定協(xié)議將任何實體硬件設備與網(wǎng)絡相連，使實體硬件設備可通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[1]。物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成。感知層將物理世界與信息世界通過硬件設備進行連接，感知環(huán)境物質(zhì)外在屬性；網(wǎng)絡層作為物聯(lián)網(wǎng)的大腦，將感知層信息傳輸至應用層。傳入的數(shù)據(jù)通過應用層轉(zhuǎn)換和子平臺處理后服務行業(yè)發(fā)展[2]。物聯(lián)網(wǎng)更偏重應用，應用是物聯(lián)網(wǎng)的核心，創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。

目前，我國已經(jīng)進入了環(huán)境污染事件的高發(fā)期，相關事件層出不窮。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國1998—2006年平均每年發(fā)生1 600多起環(huán)境污染事故，且近年來呈波動上升趨勢[3]?；谖锫?lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測平臺是物聯(lián)網(wǎng)技術的重要應用之一[4]，常用技術包括傳感技術、RFID標簽、嵌入式系統(tǒng)技術、Web等，其中傳感技術已被廣泛應用于各監(jiān)測領域[5]。

本文將物聯(lián)網(wǎng)應用于環(huán)境監(jiān)測領域，利用網(wǎng)絡以及傳感器技術收集環(huán)境數(shù)據(jù)，并利用網(wǎng)絡技術將其顯示在Web界面，實現(xiàn)環(huán)境的實時監(jiān)控和信息互享。用戶可在遠程監(jiān)控環(huán)境的同時，采取相應的措施改善環(huán)境，真正實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的意義。

1 系統(tǒng)架構設計

圖1所示為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構圖，其包含物聯(lián)層、控制層、業(yè)務層、應用層以及數(shù)據(jù)管理中心。物聯(lián)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(huán)境數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至控制層，控制層對獲取的數(shù)據(jù)進行分析、處理，形成一定的報表數(shù)據(jù)并傳輸至業(yè)務層，最終通過接口顯示給用戶。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構

1.1 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(wǎng)接口，GPRS接口，以及RS 485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(shù)據(jù)交互。傳感器終端模塊框圖如圖2所示。

圖2 傳感器終端模塊框圖

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(tǒng)設計，主要支持傳感器終端模塊與系統(tǒng)服務器之間的數(shù)據(jù)通信。將傳感器數(shù)據(jù)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。

1.2 Web 服務器功能的實現(xiàn)

Web服務器通過Tomcat部署，框架為Spring MVC。傳感器采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)中心交互，進行一系列數(shù)據(jù)處理后，通過頁面反饋給用戶進行監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)供第三方調(diào)用。系統(tǒng)內(nèi)的終端設備通過UDP、TCP與Web服務器建立連接，可以上報數(shù)據(jù)以及接收控制命令[6]。

服務器主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊環(huán)境數(shù)據(jù)分析模塊、規(guī)則聯(lián)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(jiān)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(huán)境數(shù)據(jù)進行接收。模塊接收、提取信息后，將其存入數(shù)據(jù)庫，同時進行數(shù)據(jù)處理，以報表以及熱力圖的形式顯示給客戶。同時還可根據(jù)設計的規(guī)則，下發(fā)對應的控制指令，以改善環(huán)境。

環(huán)境系統(tǒng)平臺通過服務器接收傳感器上報的數(shù)據(jù)，如PM10，PM2.5，SO2，NOx，CO，O3，TVOC，H2S，HCl，NH3，Cl2等污染參數(shù)，可滿足用戶對復雜污染狀況的監(jiān)測需求，同時系統(tǒng)還可采集風速、風向、氣壓、溫濕度等氣象數(shù)據(jù)，將其作為環(huán)境監(jiān)測原始數(shù)據(jù)，便于分析園區(qū)內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)[7]。

1.3 Web應用功能的實現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)采用Web頁面的方式展示環(huán)境監(jiān)控結果。Web頁面使用HTML5、CSS3、JavaScript以及jQuery開發(fā)，通過Ajax技術調(diào)用服務端接口，得到環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解析后通過圖表等形式展示[6]。

基于技術框架，將常用的任務和業(yè)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(xiàn)縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，有助于任務邏輯的實現(xiàn)，能夠大幅提高軟件的質(zhì)量[8]。

1.4 數(shù)據(jù)庫的設計

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

歷史數(shù)據(jù)庫采用傳統(tǒng)MySQL關系型數(shù)據(jù)庫，用于存儲歷史數(shù)據(jù)，也可通過MapReduce模型將環(huán)境數(shù)據(jù)分析結果存儲在MySQL中，以提升報表查看性能，帶給用戶更好的使用體驗。

1.5 GIS技術

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術是近些年迅速發(fā)展的一門空間信息分析技術，其在資源與環(huán)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(huán)境信息，對資源環(huán)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(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，以提高工作效率和經(jīng)濟效益，為解決資源環(huán)境問題及保障可持續(xù)發(fā)展提供技術支持[9]。

2 環(huán)境系統(tǒng)實現(xiàn)

Web服務器部署在Tomcat中，連接傳感器伺服。傳感器伺服與Web服務器建立連接后可進行數(shù)據(jù)傳輸及通信。圖3所示為傳感器終端模塊的硬件設備，包括傳感器控制器及光照傳感器模塊。圖4所示為系統(tǒng)平臺開發(fā)界面。圖5所示為Web服務器的日志。經(jīng)測試，系統(tǒng)通信正常且能穩(wěn)定獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，并可對區(qū)域內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進行及時處理與準確顯示。

圖3 傳感器終端模塊

圖4 系統(tǒng)平臺開發(fā)界面

圖5 Web服務器的日志

傳感器熱力圖界面如圖6所示。傳感器類型包括溫度傳感器、濕度傳感器等，可選擇最近一天查看環(huán)境熱力圖（熱力圖等級主要分為AQI優(yōu)、AQI良、AQI輕度污染、AQI中度污染以及AQI重度污染），熱力圖等級可以通過閾值設置來顯示園區(qū)各區(qū)域的環(huán)境狀況。

圖6 傳感器熱力圖界面

系統(tǒng)平臺除了具有傳感器數(shù)據(jù)以及管理應用功能之外，還具備LCD屏，可以通過平臺制作節(jié)目功能制作節(jié)目，并通過TCP/IP協(xié)議將制作的節(jié)目內(nèi)容發(fā)送給LCD屏，由LCD屏實時顯示。LCD屏環(huán)境數(shù)據(jù)報表如圖7所示，其為某一天之間的噪音、PM2.5、溫度以及濕度，報表中顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)首先由傳感器模塊收集，然后由傳感器控制器傳輸至上位機軟件，并由上位機軟件上報給服務器，服務器在接收到環(huán)境數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)存儲至歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中，然后系統(tǒng)再根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算每一時刻監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，并以報表的形式顯示給用戶，同時將制作的節(jié)目發(fā)布至LCD屏展示給用戶。LCD屏與服務器之間采用TCP短鏈接，當監(jiān)控系統(tǒng)制作完節(jié)目后，可發(fā)起連接請求，將節(jié)目發(fā)送到LCD屏，由LCD屏根據(jù)播放規(guī)則展示環(huán)境參數(shù)。

圖8所示為存在傳感器監(jiān)測人流的報表數(shù)據(jù)，報表中顯示存在傳感器監(jiān)測范圍的名稱、監(jiān)測結果以及監(jiān)測時間，便于用戶獲悉監(jiān)測區(qū)域中出現(xiàn)人流的時間段，對環(huán)境進行改善。同時，在與路燈聯(lián)動后，一旦傳感器監(jiān)測到人流或車流，可及時調(diào)整路燈光照度，達到節(jié)能的目的。

圖7 LCD屏環(huán)境數(shù)據(jù)報表

圖8 存在傳感器監(jiān)測人流報表

3 結 語

物聯(lián)網(wǎng)技術在環(huán)境監(jiān)測方面的應用前景廣闊，尤其在改善環(huán)境以及節(jié)能方面將大有作為。相信在不遠的未來，物聯(lián)網(wǎng)技術能夠更好地服務于環(huán)境保護事業(yè)。