包子建

摘要：為了讓企業(yè)和環(huán)境保護監(jiān)督管理部門及時了解工業(yè)園區(qū)的環(huán)境污染狀況，實現(xiàn)污染排放控制過程和范圍的在線定量跟蹤，進一步為企業(yè)和環(huán)境保護監(jiān)督管理部門制定污染源管理和治理方案提供可靠的數(shù)據(jù)信息和科學的輔助管理決策，設(shè)計和開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)園區(qū)污染源在線監(jiān)測該系。該系統(tǒng)能夠及時、準確地監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量，彌補了當前宏觀環(huán)境監(jiān)測的不足，為有效控制污染、解決環(huán)境問題提供了有力的參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；污染監(jiān)測；環(huán)境質(zhì)量

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0255-02

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，污染源的類型日益增多，尤其在化工區(qū)、工業(yè)集中區(qū)和周邊環(huán)境。污染類型和生態(tài)破壞日趨復(fù)雜，環(huán)境污染負荷不斷增加，環(huán)境污染事故時有發(fā)生。同時，隨著公眾環(huán)境意識的逐步提高，各種環(huán)境污染投訴和糾紛日益頻繁，環(huán)境監(jiān)測的類型和要求也越來越高。本系統(tǒng)通過在工業(yè)園中放置感知節(jié)點來收集數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果顯示在PC機和手持終端上，它可以查看各種污染源的指標和歷史記錄。當污染物指數(shù)超過一定值時，可以使用移動APP進行預(yù)警。工業(yè)園區(qū)職工和周圍的居民也可以登錄手持終端查看當天的健康信息，以便及時應(yīng)對當天的環(huán)境狀況，提高健康意識水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)采用高精度傳感器對工業(yè)園區(qū)污染源中的PM2.5、SO2、CO等有害氣體進行監(jiān)測。根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)接入點，包括Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接入點和GPRS網(wǎng)絡(luò)接入點，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交叉處理，以便在新的工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的友好數(shù)據(jù)交互。實時發(fā)布的信息通過網(wǎng)絡(luò)與第三層客戶端連接?？蛻舳薖C或移動手持客戶端可以通過瀏覽器或手持APP查詢獲取污染指數(shù)數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)主要由污染源感知節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、PC終端、手持終端等部分組成。選擇Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、GPRS等網(wǎng)絡(luò)通信方式構(gòu)成系統(tǒng)的感知節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，感知節(jié)點通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點與現(xiàn)有以太網(wǎng)連接。傳感器節(jié)點實時采集污染源數(shù)據(jù)，同時對隱私數(shù)據(jù)進行可配置的預(yù)處理和加密。然后，處理后的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，立即轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控終端。監(jiān)控終端對數(shù)據(jù)進行分類，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫中。然后，監(jiān)測終端將數(shù)據(jù)庫中存儲的污染源信息發(fā)送給移動智能終端和PC智能終端，將信息顯示給政府部門、工業(yè)園區(qū)工作人員和工業(yè)園區(qū)周圍的市民。一旦監(jiān)測終端監(jiān)測到預(yù)警信號，則將預(yù)警信號推送到移動智能終端和PC智能終端，提醒用戶關(guān)注當前環(huán)境。

該系統(tǒng)分為三層：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層作為底層，在環(huán)境監(jiān)測設(shè)計中尤為重要。由于各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出形式不同，采用相同的通信協(xié)議很難實現(xiàn)理想的數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)利用單片機采集不同類型傳感器的輸入信號，并將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，從而采集轉(zhuǎn)換后監(jiān)測到的污染源數(shù)據(jù)，將其發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)平臺。傳輸層包括GPRS網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)，能夠快速、實時、有效地傳輸大容量數(shù)據(jù)，能夠降低成本，提高資源利用率?？刂茖影〝?shù)據(jù)處理服務(wù)平臺、移動終端、PC終端和集成應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，通過與數(shù)據(jù)處理服務(wù)平臺的通信，將數(shù)據(jù)直觀地顯示給用戶。此外，還將進行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、總量核算、源強度計算和源分析、趨勢排放監(jiān)測和預(yù)警、污染源擴散預(yù)測和分析。同時，可以通過污染源跟蹤服務(wù)云查看歷史記錄和分析數(shù)據(jù)。跟蹤服務(wù)云還可以實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的自動校準，提高數(shù)據(jù)的準確性。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

2.1.1 CO傳感器模塊

該系統(tǒng)采用的CO傳感器為MQ-9氣體傳感器，所用的氣敏材料為二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中具有低電導(dǎo)率。采用高低溫循環(huán)檢測法，在低溫（1.5V加熱）下檢測一氧化碳。傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中一氧化碳濃度的增加而增加，并且在高溫（5.0V加熱）下檢測到甲烷和丙烷并對低溫吸附的雜散氣體加以凈化。利用簡單的電路，可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于氣體濃度的輸出信號。MQ-9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷和液化氣具有較高的靈敏度?？蓹z測多種一氧化碳氣體和易燃性氣體，它是一種適用于許多應(yīng)用的低成本傳感器。

2.1.2 甲醛傳感器模塊

該電化學甲醛傳感器能夠滿足一般檢測的要求，具有體積小、監(jiān)測速度快、價格低廉等優(yōu)點。由電化學甲醛傳感器采集的信號經(jīng)放大后以16位精度送至AD7689，模擬信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后AD7689通過SPI串行通信接口將數(shù)據(jù)傳送給處理器進行計算和處理，從而得到環(huán)境中甲醛的濃度值。

2.1.3 PM2.5傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的PM2.5傳感器是夏普光學傳感器，對香煙煙霧等細小顆粒物的檢測效果顯著，是一種常用的空氣凈化系統(tǒng)。在該裝置中，紅外發(fā)光二極管和光電晶體管成對角線布置，以允許它們檢測空氣中的灰塵反射光。該傳感器具有非常低的電流消耗（最高20mA，典型11mA），并且可以承載高達7VDC傳感器。輸出電壓與測量粉塵濃度成正比，靈敏度為0.5V/0.1mg/m3。它具有測試精度高（16路可細分）、性能穩(wěn)定、響應(yīng)時間快、攜帶方便、操作方便等特點，為傳感器節(jié)點監(jiān)測粉塵含量提供了有力的保證。

2.1.4 數(shù)據(jù)通信模塊

與常用的GPS模塊和GPRS模塊分離定位系統(tǒng)不同的是，本系統(tǒng)采用SIM公司的3G/HSDPA模塊SIM5320。SIM5320內(nèi)置GPS和A-GPS，提高了系統(tǒng)的可靠性。該模塊采用小尺寸、薄厚度的SMT封裝，減小了PCB設(shè)計的尺寸。STM32F103單片機通過串行通信與SIM5320模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，采用標準AT命令控制GSM模塊，實現(xiàn)各種無線通信功能。

2.2 軟件實現(xiàn)

2.2.1 污染源監(jiān)測終端軟件

污染源監(jiān)測終端的工作流程是：首先進行硬件初始化，對每個傳感器模塊的數(shù)據(jù)進行初始化；然后進行WIFI協(xié)議棧初始化；執(zhí)行協(xié)議棧的入口函數(shù)和硬件配置函數(shù)；為掌握污染源物質(zhì)動態(tài)走向和排放量，實時采集污染源數(shù)據(jù)，并通過特定的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。

2.2.2 網(wǎng)關(guān)軟件

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的工作流程是：向網(wǎng)關(guān)節(jié)點供電后，首先初始化硬件電路，轉(zhuǎn)換異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入點的電源管理部分的電壓，初始化主處理器的外部驅(qū)動電路，然后初始化網(wǎng)絡(luò)配置，建立或加入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。在每個網(wǎng)絡(luò)的接入點完成初始化網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)后，開始執(zhí)行任務(wù)調(diào)度。該算法對每個網(wǎng)絡(luò)模塊的數(shù)據(jù)進行實時處理，對從不同網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)包進行解析，對數(shù)據(jù)包的源節(jié)點、數(shù)據(jù)內(nèi)容和目標節(jié)點進行解析，并進行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2.3 PC監(jiān)控端軟件

該系統(tǒng)提供了一個基于B/S結(jié)構(gòu)的PC監(jiān)控終端?；贐/S的架構(gòu)具備無須安裝任何軟件即可操作的優(yōu)點，它可以更好地面向工廠工人、工廠附近的居民和高級管理人員，使操作更加方便。由于系統(tǒng)強調(diào)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，所以B/S結(jié)構(gòu)可以及時響應(yīng)客戶請求，快速反饋數(shù)據(jù)，減輕了客戶端機器負擔。此外，B/S架構(gòu)的維護和升級非常簡單，可以減少開發(fā)和使用的成本，提供更多的選擇。PC監(jiān)控端軟件使用Python語言和Django框架開發(fā)網(wǎng)頁。通過HTTP服務(wù)器與Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)信息交互，從而獲得硬件終端采集的海量數(shù)據(jù)。

2.2.4 Android端軟件

該系統(tǒng)的移動客戶端是在Android平臺上開發(fā)的，采用Java作為開發(fā)語言，Eclipse作為開發(fā)工具，通過GET/POST請求，JSON作為通信交換格式和服務(wù)器端進行通信。通過HTTP連接Android平臺客戶端程序和服務(wù)器，實現(xiàn)與JSON協(xié)議的交互信息和數(shù)據(jù)通信，速度更快，可被更多的用戶和設(shè)備使用。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，提供了一種獨立于軟件和硬件的數(shù)據(jù)共享方法。同時，JSON作為一種數(shù)據(jù)包格式具有更高的效率，從而在相同的數(shù)據(jù)流量下降低網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力。

2.2.5 服務(wù)器數(shù)據(jù)采集與服務(wù)平臺

智能終端通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)進行數(shù)據(jù)采集和存儲。數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)集成與處理等功能是基于Web Access技術(shù)的，它提供了與外界的接口，形成了數(shù)據(jù)采集與服務(wù)平臺。數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)采用通用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議HTTP與智能終端進行通信。多通道數(shù)據(jù)采集也可以根據(jù)需要通過數(shù)據(jù)集成和處理服務(wù)進行處理。數(shù)據(jù)庫是各種服務(wù)之間數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)。智能終端采集的數(shù)據(jù)可以直接存儲在服務(wù)器（原始數(shù)據(jù)）中或通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，用于遠程實時顯示和觀察，并且可以根據(jù)用戶的需要通過數(shù)據(jù)集成和處理服務(wù)方便地集成到其他平臺中。本系統(tǒng)通過Web Access技術(shù)，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)集成預(yù)處理功能集成到移動手持終端應(yīng)用開發(fā)平臺的服務(wù)接口中，用于搜索、發(fā)現(xiàn)和調(diào)用服務(wù)，從而實現(xiàn)移動終端和PC終端的各種功能。在信息加工和處理部分，通過查詢接口調(diào)用自動監(jiān)測儀器的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，查詢各指標的小時、日、月、年平均值，查詢各種污染指標、質(zhì)量等級和條件。通過圖形顯示，移動手持終端可以實時顯示污染源的位置和實時變化的數(shù)據(jù)、污染指數(shù)、超標報警等。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)綜合了各種地理信息資源和環(huán)境保護業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，建立了工業(yè)園區(qū)的網(wǎng)格監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置了多個監(jiān)控點，利用多種高精度傳感器采集數(shù)據(jù)，建立了統(tǒng)一的環(huán)境信息資源數(shù)據(jù)庫。實時存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、政策法規(guī)數(shù)據(jù)等各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的無縫融合。增強了環(huán)境相關(guān)業(yè)務(wù)的管理能力，綜合管理和決策分析能力。

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【通聯(lián)編輯：梁書】