基于物联网技术的太湖新城环境预警与管理平台设计

周颖芝　杨宏伟

摘要针对快速城市化过程中引起的城市近郊环境污染加重，对农业用水和农村生活造成了严重影响的环境问题，以及河网复杂的特点，从区域整体性和系统性的出发，采用物联网技术，借助GIS平台，构建了包括环境自动监测系统、网络传输系统和环境预警及管理系统的太湖新城环境预警与管理平台，为区域环境风险评估与预警平台构建提供技术支撑，并为近郊的农业生产和环境保护提供重要信息。

关键词太湖新城；物联网；预警与管理平台

中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2014）04-01250-02

基金项目国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07101013）。

作者简介周颖芝（1989- ），女，江苏无锡人，硕士研究生，研究方向：网络技术。*通讯作者，副研究员，博士，硕士生导师，从事GIS研究。

目前，我国已经进入了环境污染事件的高发期，环境事件层出不穷。据不完全统计，我国1998～2006年平均每年发生1 600多起，而且近年来呈波动上升的趋势。一些重大的环境事件如2005年松花江水污染事件、广东北江镉污染事件等[1]，因缺乏有效的监控和预警，未能及早发现、及时处理，严重危害了人民群众的生命财产安全，造成了巨大的经济损失，产生了深远的社会影响。因此，对区域水环境生态进行全面的监测监控、预警评估及风险管理显得非常重要。

国际上关于环境预警方面研究较多，早在1985年莱茵河保护委员会建立了环境预警中心[2-3]；1997年多瑙河流域针对水污染事故频繁发生的问题建立了环境事故预警系统[4]。近年来，我国在环境预警方面也开展了大量的研究工作，如松花江污染应急决策支持系统[5]、长江沿江开发环境风险监控预警系统[6]。然而基于物联网与GIS技术的环境预警平台方面的研究鲜有文献报道。物联网技术作为一种新兴的多学科交叉领域，广泛应用于军事、环境监测和预报、公共安全、精准农业、大型工业园区和仓库等领域[7-8]。无线传感器网络具有支持大规模节点随机布设、自动组网、多跳传输、协同感知、长期无人值守等重要特点，对于监控众多的污染源点极为重要。

1研究区域概况

太湖新城紧依太湖的梅梁湾和贡湖湾，总面积约180 km2。区域内水网密布（图1），共有大小河道约300条，总长约350 km。在21世纪初区域内是以耕地、果园、村镇、水面和工矿企业为主的近郊村镇，人口约20万，目前正建设成为一个规划人口100万的中心城区。快速的城市化发展、城市规模的扩大可能导致环境的进一步恶化。产业高度集中于城市，在经济活动过程中通过资源利用和能源消耗不断排放出污染物，从而产生了很大的环境压力，而经济活动聚集所导致的人口集中又会加大环境质量破坏所带来的损失[9-10]。研究区域紧邻太湖，目前太湖新城河道水质状况明显劣于贡湖水质。由此可见，太湖新城河网水环境的好坏也将直接影响到太湖重要水源地贡湖湾的水质。因此，建立该区域环境预警与管理平台具有非常重要的现实意义。

2环境预警平台总体设计

环境预警平台是根据物联网的3层结构设计[11-12]：①以水气自动监测的感知延伸层；②以3G网络、中程传感网和微傳感网的多层传输异构接入的网络层；③以GIS为平台的数据处理、模型计算和信息发布为主的业务与应用层（图2）。平台采用B/S结合C/S的架构方式，应用WebGIS技术图2环境预警与管理平台设计框架开发。

3系统的设计与功能

3.1感知层——数据采集系统采用多源的数据采集方式，全天候的水文气象和水质在线监测数据，结合人工监测数据，确保环境监测数据的连续性和准确性。

气象数据采集采用YFQXZ10自动气象站。对空气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度等多种气象要素进行全天候现场监测。

水质在线监测分为基站式和浮标式。基站式采用德国WTW公司设备监测水温、电导率、酸碱度、溶解氧、浊度、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮、氰化物、总酚、石油类、水深、流速等；浮标式通常采用美国YSI公司的YSI6600型和HACH公司的HYDROLA-B型水质传感器。

3.2网络层——数据传输系统为了保证整个区域环境监测的覆盖度和重点区域的环境监控，平台设计了多层传感网络结构传输方式（图3），即上层电信/联通3G和互联网传输、中层无线传感网传输和底层分簇微传感网传输。

基于3层传感器网络传输示意图上层传输主要用于基站式在线水质监测，通常RS232/RS458连接电脑并通过有线网络传输至控制中心。浮标式水质自动监测采用GPRS或CDMA进行通信。

中层传输主要采用无线传感网技术。控制系统模块采用超低功耗16位MCU PIC128GA110，并预设了充足的外接接口，使得每个控制系统模块可以同时控制4个RS232接口的传感器。通信组网模块采用扩频通信体制，其扩频增益随QoS动态调整，传输速率设定为9.6 kbps，通信算法在DSP中实现。目前大部分采用的是ZigBee协议[13-14]。它是基于IEEE802.15.4的一种新兴短距离无线通信技术，其特点是低功耗、低速率、低复杂度、低成本等，但网络同步实现比较困难，带来的问题是冲突和重传现象比较严重，功耗浪费较多。基于TDMA[15]的传感器网络MAC层算法，结合无线传感器网络的特点设计的自适应TDMA协议，但没有解决同步问题。该研究设计了一种基于动态TDMA的传感网协议，让传感器节点自组成网，形成多跳数据通路，并利用GPS时间进行同步和时隙池划分，解决了全网同步问题，而且不会发生无线信息冲突。

底层采用分簇微传感器网络传输，主要针对重点防控区域布设。微网节点设计的重点是控制模块功能设计，主要包含节点驱动设计和传感器接口设计（图4）。该研究设计的微网节点所用射频模块可工作于433 M，可支持FSK、GFSK、OOK多种调制模式，数据传输速率最高可达100 kbps，同时射频模块内部提供数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和射频唤醒等功能。

微传感网控制模块设计3.3应用层——数据处理与管理系统应用层主要包括两大系统：数据管理与处理系统和环境模拟预测与管理决策系统。数据管理与处理子系统主要负责海量数据的处理、存储、管理、计算等。该研究数据处理的关键是如何将多源数据进行标准化，并通过关系数据库Oracle11i平台进行管理。针对采集数据的多源异构特点，采用XML的异构数据交换技术进行数据时空转换和插值等处理。将自动监测数据、人工监测数据与空间信息有机结合，形成标准化的数据仓库，并采用WebGIS平台管理实时监测数据，绘制参数的图表和空间分布图。

作为应用层最重要的是为地方政府提供决策信息。为了能更加准确地估计环境污染引起的灾害，该系统耦合了一维水动力模型和河网水质模型，并集成至GIS平台，可对污染物扩散进行模拟。一旦某一地点出现环境事故，通过GIS系统可了解事发地点周围的信息，对可能影响的范围作出判断，并对事故损失结果进行分析，决策部门可根据预警信息，制定与修改应急方案，公布警告信息。