基于物联网的环境监测系统设计

刘皎 曹荣荣

摘   要：文章设计了一种基于物联网的环境监测系统，该系统主要采用ZigBee传感网络实时采集大气环境数据，并利用4G无线通信技术对采集到的各种数据进行实时传输。该监测系统能够实现对环境温湿度、CO质量分数、NOx质量分数、PM2.5质量分数等参数进行实时显示及存储功能。

关键词：物联网;环境监测;Zig Bee

物联网技术已经在多个领域有了广泛的应用，如智能环境监测、智慧交通、智能家居、智慧消防以及智能医疗监测等方面[1-3]。随着经济的高速发展，环境问题也日益严重，对环境监测工作的要求也越来越高。将物联网技术引入到环境监测中来，不仅能够解决以往实时性差等问题[4-6]，更能够提高监测数据的实时性及准确性[7-8]。本文基于物联网技术设计了一个环境监测系统，利用物联网对环境中的有害气体进行精确检测，并通过无线网络将数据实时传输到监测中心，进行数据的显示、存储及分析。通过对环境监测数据的统计及分析，可以制定出适合本地的环境保护措施及方案，以达到环境保护的目的。

1    物联网关键技术

物联网通常采用分层架构实现（见图1）。自下而上依次为感知层、网络层以及应用层。感知层主要是利用各种类型的传感器实现物体特征的信息收集，网络层则基于各种通信协议进行数据信息的传输，应用层是指系统的实际应用，是对获取的各种信息进行智能化处理后与各种实际应用相结合后的结果。

2    环境物联网关键技术

基于物联网的环境监测系统的总体结构如图2所示，包括了应用层、网络层以及感知层。

2.1  應用层

应用层是环境物联网系统的最终用户，包括环境物联网的应用门户及业务应用系统。门户主要为环境物联网的各种用户提供入口及交互界面。应用系统包括了环境质量监测、污染源监控、环境风险应急处理及其综合管理和服务等。应用层以IT基础设施、软件服务为依托，支撑环境物联网应用系统，将从感知层采集到的各项数据信息进行处理、分析、显示以及存储，使用户对监测现场的大气环境情况的了解更为直观、更为清楚。

2.2  网络层

网络层主要由环保部门的政务专网、电信网、互联网等组成，支持各环保部门之间的环境信息数据传递。网络层主要进行数据信息的传输，包括了近距离传输和远距离传输两部分。近距离传输主要采用ZigBee、WiFi、蓝牙等技术[10-11]，而ZigBee技术具有低复杂性、低功耗、低成本、网络节点数多等优点，因此，在近距离传输时采用ZigBee方案。在远距离传输时，由于4G网络具有容量大速率高的特点[12-13]，所以采用4G网络进行远距离传输。

2.3  感知层

感知层主要利用ZigBee无线传感网络来实现大气环境数据的采集，其中包括CO、SO2、NOx粉尘颗粒浓度等参数的监测。ZigBee无线传感网络由位于监测区域的一组低功耗、低成本、具有数据采集、数据存储、数据处理和数据收发的传感器节点组成。

3    系统设计

在ZigBee网络中的传感器节点包括了终端节点及路由节点，来实现数据的采集以及传输功能。两种节点之间的差异在于，终端节点在完成数据采集之后将自身数据发送出去，而路由节点在发送自身采集数据的同时还需要转发其子节点采集的数据，以实现数据信息的多跳传输。ZigBee无线传感器网络的传感器节点主要由传感器模块、数据处理模块、主控制器模块、无线通信模块、电源模块组成。

网关节点主要负责组建ZigBee网络并汇总各个传感器节点发送的数据信息，控制4G模块与远端服务器通信并上传数据。网关节点由电源模块、ZigBee无线通信模块、主控制器模块以及4G模块组成。ZigBee网络中的协调器为无线通信模块，利用CC2530芯片实现。主控制器模块是网关节点的核心，选用LPC2138芯片实现，处理能力强，运算速度快。主控制器模块的主要功能是实现网关节点上的ZigBee无线通信模块进行通信、收发数据，并能够控制4G通信模块与远端服务器通信、上传数据。

终端的监测软件是由VC编程完成，包括监测系统的登录界面、数据监测显示以及数据存储3个部分。在该监测软件上能够完成服务器与客户机的数据传输及数据显示，并将所获数据存储在后台数据表格之中，以便用户对数据的查看及分析。

4    系统测试

在监测中心点击进入监测主界面之后，首先，启动服务器与客户机通信，当这两者通信完成后，服务器便可接收客户机发送的数据。其次，利用控件实现数据的显示，可实现数据的实时存储。在系统测试过程中，将各类传感器安置在不同监测点以采集相关数据。测试时，共设有两个监测区域，每个监测区域包含3个传感器节点，每30 s完成一次数据采集，并通过 ZigBee无线传感网络及无线通信模块实时地将采集的数据上传到监测中心服务器上并显示，数据显示界面如图3所示。

5    结语

本文设计了一个基于物联网的环境监测系统。该系统具有低成本、可靠性强、时延短、智能化、可扩展性强等优点，弥补了传统环境监测系统的不足之处。将物联网技术应用到环境监测中，使环境监测的实时性及准确性得到极大的提高，同时，为整个社会的绿色发展起到了极大的推动作用。

项目基金：2018年第一批产学合作协同育人项目;项目编号：201801082072。商洛学院科研基金项目;项目编号：16SKY006。商洛学院2018年根植地方行动计划立项资助项目;项目编号：gz201834。

作者简介：刘皎（1986— ），女，陕西商洛人，讲师，硕士;研究方向：通信与信息系统。

[參考文献]

[1]杜克明，褚金翔，孙忠富，等.WebGIS在农业环境物联网监测系统中的设计与实现[J].农业工程学报，2016（4）：171-178.

[2]李宇，王卫星，陈润泽.基于ZigBee的物联网智能家居系统[J].电子测试，2016（5）：71-75.

[3]陈海明，崔莉.面向服务的物联网软件体系结构设计与模型检测[J].计算机学报， 2016（5）：853-871.

[4]马丽梅，张晓.中国雾霾污染的空间效应及经济、能源结构影响[J].中国工业经济，2014（4）：19-31.

[5]刘华军，孙亚男，陈明华.雾霾污染的城市间动态关联及其成因研究[J].中国人口资源与环境，2017（3）：74-81.

[6]张建忠，孙瑾，缪宇鹏.雾霾天气成因分析及应对思考[J].中国应急管理，2014（1）：16-21.

[7]蒙海涛，张骥，易晓娟，等.物联网技术在环境监测中的应用[J].环境科学与管理，2013（1）：10-12.

[8]吴丹娜，江洪，张金梦，等.环境监测中物联网技术的应用[J].安徽农业科学，2014（10）：3076-3079.

Abstract：An environment monitoring system based on Internet of Things is designed. The system mainly uses ZigBee sensor network and wireless communication technology to collect and transmit the atmospheric environment data monitored by each sensor node within the monitoring range. The monitoring system can realize real-time display and storage functions of parameters such as ambient temperature and humidity， CO mass fraction， NOx mass fraction， and PM2.5 mass fraction.

Key words：Internet of Things; environmental monitoring; ZigBee