基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
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蘇世旭1衛(wèi)，肖彥均1，2，郭永安1,2
（1．南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003；2．江蘇南郵物聯(lián)網(wǎng)科技園有限公司，江蘇南京210003）
摘 要：針對(duì)我國(guó)目前環(huán)境污染日益加劇的問題，對(duì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域的可行性進(jìn)行了研究，介紹了目前智能環(huán)保領(lǐng)域研究的現(xiàn)狀，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多種環(huán)境指標(biāo)，并通過數(shù)據(jù)分析給出專業(yè)化應(yīng)對(duì)污染建議的監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)控；數(shù)據(jù)分析；多指標(biāo)
中圖分類號(hào)：TN99 doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016033
1 引言
近年來，隨著我國(guó)環(huán)境污染的日益加劇，無論是政府還是普通民眾，對(duì)環(huán)境問題的重視程度都越來越高，對(duì)于環(huán)保與環(huán)境監(jiān)控問題的研究也越來越熱。且隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、無線通信等技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)可以成為現(xiàn)實(shí)，然而，對(duì)于普通民眾來說，環(huán)境信息的獲取渠道卻十分狹隘，只有通過電視節(jié)目偶然的播報(bào)或訪問專門的政府部門網(wǎng)站才能獲取周邊的環(huán)境信息。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是將多項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)集于同一監(jiān)控系統(tǒng)，且通過傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)獲取實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在用戶面前，通過數(shù)據(jù)分析，給出合理的規(guī)避污染建議。該系統(tǒng)可以極大地方便用戶了解環(huán)境信息，推廣智能環(huán)保理念，政府部門也可以通過該系統(tǒng)分析處理大規(guī)模的環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而做到及時(shí)預(yù)警，最大程度降低對(duì)環(huán)境的危害，并跟蹤工業(yè)區(qū)污染過程，追溯污染源頭，方便環(huán)保部門管理整頓。
本設(shè)計(jì)將在指定環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，采集空氣環(huán)境、重點(diǎn)污染源、輻射環(huán)境、汽車尾氣、危險(xiǎn)廢物、飲用水6項(xiàng)指標(biāo)；搭建一個(gè)環(huán)境云平臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器來存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)：開發(fā)一款用戶移動(dòng)設(shè)備端的Android應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器的訪問，并向用戶展示環(huán)境污染指標(biāo)，提出規(guī)避建議。利用該環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，既可以滿足普通用戶對(duì)環(huán)境信息的知情要求，又可以為環(huán)保部門提供實(shí)時(shí)的、可靠的、系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控平臺(tái)，為環(huán)保行政執(zhí)法提供信息化支持。
2 系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
本文設(shè)計(jì)的多指標(biāo)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用了物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)思想。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為環(huán)境感知層、異構(gòu)數(shù)據(jù)接入層、智慧網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、環(huán)保應(yīng)用層，如圖1所示。
環(huán)境感知層主要通過布置在不同環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境傳感器，感知并采集環(huán)境污染數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了多種多樣的監(jiān)控傳感器，且其通信協(xié)議各不相同，異構(gòu)數(shù)據(jù)接入層負(fù)責(zé)屏蔽這些數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，并通過統(tǒng)一的通信協(xié)議將其接入網(wǎng)絡(luò)傳輸；智慧網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層的主要功能為構(gòu)建環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器，存儲(chǔ)傳感器所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，并向上提供用戶接口，以便應(yīng)用層訪問：環(huán)保應(yīng)用層的任務(wù)是應(yīng)用開發(fā)．在該系統(tǒng)中將開發(fā)一款A(yù)ndroid應(yīng)用，查閱環(huán)境污染數(shù)據(jù)，給出規(guī)避污染建議。
同時(shí)，本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)，以體現(xiàn)系統(tǒng)的多指標(biāo)特性，包括：空氣環(huán)境、飲用水、重點(diǎn)污染源、輻射環(huán)境、汽車尾氣、危險(xiǎn)廢物。
2.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。
智能環(huán)境指標(biāo)傳感器的多樣性是本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)多指標(biāo)特性的體現(xiàn)，不同的環(huán)境指標(biāo)也非常具有針對(duì)性。例如．，其中空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)主要布控在省內(nèi)各大城區(qū)，南京市分別在玄武區(qū)、建鄴區(qū)、棲霞區(qū)、江寧區(qū)布置了空氣環(huán)境傳感器；其他傳感器也與此類似地分布在江蘇省內(nèi)各監(jiān)控點(diǎn)。
然而，傳感器的多樣性也決定了其采集的數(shù)據(jù)具有多態(tài)性和異構(gòu)性，這要求在其上方的環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析提取能力，以屏蔽數(shù)據(jù)的多態(tài)性和異構(gòu)性。同時(shí)，環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器還有用以存儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和用以用戶訪問、查看、下載的下行數(shù)據(jù)接口。
多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用軟件主要應(yīng)用在如今非常主流的Android平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問、下載，并提供數(shù)據(jù)查詢功能；該軟件還具有污染報(bào)警模塊，用戶可以設(shè)置添加關(guān)注地區(qū)某環(huán)境指標(biāo)，當(dāng)該指標(biāo)超值時(shí)，軟件會(huì)發(fā)送推送消息，通知用戶污染情況，并給出規(guī)避建議。
3 智能環(huán)境指標(biāo)傳感器設(shè)計(jì)
作為環(huán)境感知層的具象化設(shè)計(jì)，智能環(huán)境指標(biāo)傳感器在設(shè)計(jì)上必須具有數(shù)據(jù)感知采集模塊以采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸模塊，將采集到的數(shù)據(jù)通過上行接口傳輸至環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器。其工作原理如圖3所示。
數(shù)據(jù)感知單元：接受數(shù)據(jù)采集控制單元的控制，利用包括空氣環(huán)境、危險(xiǎn)廢物等6項(xiàng)指標(biāo)在內(nèi)的環(huán)境傳感器獲取所在地的環(huán)境信息參數(shù)。
數(shù)據(jù)采集管理控制單元：作為該智能環(huán)境指標(biāo)傳感器的控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制其他各單元提供相應(yīng)功能，通過數(shù)據(jù)傳輸單元上傳采集的健康數(shù)據(jù)，接受數(shù)據(jù)感知單元的信息上傳服務(wù)請(qǐng)求。
數(shù)據(jù)傳輸單元：負(fù)責(zé)通過GPRS的方式將該智能環(huán)境指標(biāo)傳感器采集到的健康數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)議編解碼單元。
協(xié)議編解碼單元：負(fù)責(zé)根據(jù)控制指令以約定協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行編解碼，接受通信單元的服務(wù)請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)采集控制單元傳輸來的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行解碼；使用數(shù)據(jù)壓縮算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析；使用設(shè)定加密算法，保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸安全。
數(shù)據(jù)交互控制單元：負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)其他各單元共同完成數(shù)據(jù)交互功能，環(huán)境數(shù)據(jù)接口向環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器發(fā)起數(shù)據(jù)交互服務(wù)請(qǐng)求，完成數(shù)據(jù)傳輸；控制協(xié)議編解碼單元對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行編解碼。
環(huán)境數(shù)據(jù)接口：負(fù)責(zé)智能環(huán)境指標(biāo)傳感器與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器的信息交互，接受數(shù)據(jù)交互控制單元的服務(wù)請(qǐng)求，通過環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)接口完成數(shù)據(jù)交互，將處理的數(shù)據(jù)上傳到環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器；同時(shí)，將數(shù)據(jù)交互結(jié)果反饋給數(shù)據(jù)交互控制單元進(jìn)行后續(xù)處理。
4 多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用軟件是環(huán)保應(yīng)用層的一個(gè)實(shí)例，應(yīng)用于主流的Android平臺(tái)，該軟件具備從環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器下載環(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，并呈現(xiàn)給用戶的功能，其各模塊組成如圖4所示。
環(huán)境數(shù)據(jù)接口：負(fù)責(zé)與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器交互信息；接受數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制單元的服務(wù)請(qǐng)求，完成數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳遞給調(diào)用者。
數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制單元：作為該應(yīng)用的控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制其他單元，提供相應(yīng)功能，通過環(huán)境數(shù)據(jù)接口與環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器交互信息，接受數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單元的信息查閱請(qǐng)求、數(shù)據(jù)接收單元的信息下載請(qǐng)求和數(shù)據(jù)超出污染閾值時(shí)報(bào)警單元的啟用。
數(shù)據(jù)接收單元：負(fù)責(zé)通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制單元的控制與環(huán)境數(shù)據(jù)接口從環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器下載并保存各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)參數(shù)至本地終端，供用戶調(diào)用查看過往環(huán)境信息的記錄。
數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單元：負(fù)責(zé)提供各項(xiàng)環(huán)境信息的查詢調(diào)閱服務(wù)：接受數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制單元的管理控制，由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制單元向環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送用戶的信息調(diào)閱請(qǐng)求，環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)器通過環(huán)境數(shù)據(jù)接口返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，以供查閱；用戶利用數(shù)據(jù)呈現(xiàn)單元能夠隨時(shí)隨地查詢監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各項(xiàng)環(huán)境指數(shù)。
報(bào)警單元：接受數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制單元的控制，負(fù)責(zé)在環(huán)境信息指數(shù)超出閾值時(shí)推送污染指數(shù)信息給用戶，并給出專業(yè)化防污染建議。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的多指標(biāo)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，具有明顯的智能特性，該系統(tǒng)主要由智能環(huán)境指標(biāo)傳感器、環(huán)境監(jiān)控服務(wù)器、多指標(biāo)環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用等部分組成，通過智能終端的環(huán)境感知能力獲取數(shù)據(jù)，通信上主要采用GPRS網(wǎng)絡(luò)上行傳輸至服務(wù)器，應(yīng)用層則在Android平臺(tái)具體實(shí)施。該系統(tǒng)不僅克服了現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)指標(biāo)單一化、智能性差、移動(dòng)性差、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，還通過具體實(shí)例化的應(yīng)用軟件為公眾關(guān)注環(huán)境污染信息提供了方便快捷的渠道，也為政府環(huán)保部門的環(huán)境預(yù)警、監(jiān)管、污染溯源提供了便利。
