物联网智能环境监测系统.doc

传感器与物联网技术 综合报告 题目：智能环境与物联网技术 专业： 学号： 姓名： 提交日期：二一六年六月摘 要 环境与所有人的日常生活都息息相关，而物联网技术也随着计算机技术，信息技术，以及智能技术的发展越来越多的开始被应用到我们的日常生活中来。本文主要针对物联网技术应用到环境监测中的相关问题进行了分析与探讨。智能环境利用各种传感器技术，移动计算，信息融合等技术对空气环境，海洋环境,河,湖水质，生态环境，城市环境质量进行全面有效地监控，通过构建全国各地环境质量的检测实现对全国范围内的环境进行实时在线监控和综合分析，建立全国性的污染源信息综合管理系统，为采取环境治理措施和污染预警提供更客观，有效的依据。 关键字：智能环境 物联网技术 传感器 目 录1引言41.1 物联网简介41.2智能环境研究的目的和背景42需求分析42.1智能环境功能需求分析52.2各子系统需求分析52.2.1大气污染监测子系统需求分析52.2.2海洋污染监测子需求分析52.2.3水质监测子系统需求分析52.2.4生态环境检测子系统需求分析52.2.5城市环境检测子系统需求分析52.3其他非功能需求分析62.3.1可靠性需求62.3.2开放性需求62.3.3可扩展性需求62.3.4安全性需求62.3.5应用环境需求63详细设计63.1各环境监测子系统解决方案63.2智能环境监测系统结构图53.2.1各子系统环境监测拓扑结构图64结论12参考文献13 1引言1.1物联网简介物联网是一种新兴技术，其核心内容是将各种信息传感设备和互联网结合起来而形成的一个巨大的网络，实现信息的高速获取和交换，是人类的生产和生活具有更高的智能化。物联网作为一种新理念，却非凭空产生，而是随着传感器技术，无线网络技术，人工智能技术和数据融合技术的发展而出现的。目前的传感器已经能够实现对温度，湿度，声音，光线，辐射等多种环境信号的采集；物联网技术领域也出现了一种Wifi，CDMA以及Adhoc等高速网络接入和容错组网的方式，使得高速数据传输成为可能；人工智能技术经过多年的发展，目前已经能够实现一定程度的自动控制；高性能计算技术的出现也使得海量数据处理和融合不再成为控制领域的瓶颈。这些技术的进步和融合催生了物联网的逐步应用。具体来说，物联网的关键技术在于无线射频识别技术（RFID）。无线射频识别技术是一种先进的感知技术，当标签进入磁场中，能通过感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据查询，统计，管理等操作，从而实现了非接触，自动化的物品识别。由于该技术的出现，物联网才能具有强大的生命力，可以在包括环境检测等多个领域进行灵活应用。1.2智能环境研究的目的和背景随着社会经济的发展，以及人类活动的加剧，导致自然界环境遭到破坏，人类自身生存的环境也遭到破坏，环境不断恶化。此外，由地震，洪水，森林火灾等自然灾害以及一些突发事故所造成的环境污染，如由前两年日本地震引起的核电站泄露，某轮船泄露导致海水污染，森林火灾等。为进一步做好全国环境保护污染自动监测控体系建设，提高环境监测数据质量，增强环境监测数据的可比性，准确性和可靠性，根据污染源自动监控管理办法的有关要求，借助先进的电子信息，计算机，网络技术建立全国性的环保监测信息系统。智能环境利用各种传感器技术，移动计算，信息融合等技术对空气环境，海洋环境,河,湖水质，生态环境，城市环境质量进行全面有效地监控，通过构建全国各地环境质量的检测实现对全国范围内的环境进行实时在线监控和综合分析，建立全国性的污染源信息综合管理系统，为采取环境治理措施和污染预警提供更客观，有效的依据。多功能环保监测信息系统通过网络连接全国所有的监测点，实现信息传递和信息共存。为此我们就要建立起全国统一的内部交换信息网络体系，基本建立起覆盖全国省，市，县，大多数乡镇农村的环保信息服务网络；要按照网络技术标准，在全国各省（区，市）地（市），县建立相应的环保监测信息平台，实现全国环保监测信息网站互联互通，实施网上信息联播，一站式联网服务，即信息在各地环保监测系统终端通过有线网络或无线GPRS/CDMA/3G网接入Internet,连接到各级环保的信息中心。各级环保局信息中心网络框图如下所示，核心交换机连接本地服务器，当地政务网。本地服务器可以根据需要选择不同的数量，最少一台；连接当地的政务网可以即时传递各种政策信息及数据。2.需求分析为了建立全国性的环境系统，从大气环境，海洋环境,河,湖水质，生态环境，城市环境质量五个方面进行分析。2.1功能需求分析2.1.1全国环境质量自动监控系统主要功能：1）大气污染物自动监测污染性气体，有毒气体监测以及二氧化碳等其他温室气体含量的检测2）海洋环境质量自动监测污染源水污染物自动检测3）河流（湖库）水质自动监测 对流入河，湖的水源进行检测和对水质变化进行检测分析4）生态环境自动监测对野生环境，如草原，沙漠，森林，热带雨林等进行监测5）城市空气质量自动监测对城市交通，汽车尾气，工业废水废气排放，区域噪声监测等进行监测2.2各子系统功能需求分析2.2.1大气污染监测子系统功能需求分析随着全球经济和工业的飞速发展，大气环境污染越来越严重，其中就有人们熟知的PM2.5,而物联网技术就能有效的应用到大气污染的监测过程中，监测空气中可吸入颗粒物的含量，空气中有毒有害物质的含量，甚至能够监测大气中的氧气含量，二氧化碳含量，氮气含量等等，以保证大气层的整体的完整性，并且通过实时传输就能把监测器上的相关数据传输到气象中心，再传输给电视新闻中心等告知民众，。2.2.2海洋污染监测子系统功能需求分析我国的海洋污染物联网系统建设还处于初级阶段，但是很多国家很早就对海洋污染监测的物联网系统建设进行着研究。海洋污染物联网系统建设能够监测一个国家海洋的水质情况，污染物情况，能够在发生一些人为灾害或者自然灾害时及时的发现，及时处理。比如能够在发生核污染时及时发现污染物是否达到国家的近海；在发生轮船原油泄漏时也能够及时的判断原油泄漏的污染情况并及时的做出处理，控制污染。所以说海洋环境监测也有些极高的必要性。2.2.3水污染监测子系统功能需求分析在河流河道水质监测中，水库水质监测中，污水处理质量监测中都已经进行了物联网技术的应用，通过传感器监测水质中含有的各种污染含量，气体含量，有毒有害物质含量；而后传送到中央控制系统中，计算机自动进行对比分析判断水质情况和水质安全情况，所有的数据都会自动进行储备案，一旦发现问题自动报警，而且人也能够对系统进行干预，人为进行实时的监测观察。2.2.4生态环境监测子系统功能需求分析生态环境的物联网监测系统其实是一个较为宽泛的系统概念，但也已经逐步的被应用，一般来说这样的一个监测系统不仅仅包括以上提及的几个已经投入使用的环境监测系统，它还包括视频监控系统，生态环境的生物，动物生存情况的监测等等一系列的监控。最终汇集到中央控制系统中。生态环境的物联网监测应用主要是在一些自然保护区，沙漠绿植研究，热带雨林生态监测，草原生态恶化监测中逐步被应用。然后把相应数据统计提交给相关生态环境研究部门，方便生态学者对自然生态环境的变化进行记录和分析，也方便相关研究人员给出及时的解决和监管方案。2.2.5城市环境监测子系统功能需求分析最近几年内，随着城市经济的快速发展，城市环境污染越来越严重，尤其是北京，上海这些一线城市，而其他较发达城市环境也日趋恶化，因此对全国城市环境的检测和整治刻不容缓。建立全国城市环境检测系统，可以方便环境监管部门及新闻部门，通过对这些数据的收集，可以对各地城市环境及时设定解决方案。如今我国城市空气质量堪忧，尤其是一些大中型城市，一些由重型工业发展而来以及人口持续增多的城市大气污染都相对严重。其中就有人们熟知的PM2.5,而物联网技术就能有效的应用到大气污染的监测过程中，监测空气中可吸入颗粒物的含量，空气中有毒有害物质的含量，甚至能够监测大气中的氧气含量，二氧化碳含量，氮气含量等等，并且通过实时传输就能把监测器上的相关数据传输到气象中心，再传输给电视新闻中心等告知民众。还有就是对城市工厂污染物排放进行监测，根据相关标准对其进行整治；还有城市交通，粉尘，噪声等的检测。2.3其他非功能需求2.3.1可靠性需求 系统应保证7X24小时内不当机，保证不同部门在不同客户端登录查询及监管是，系统正常运行，正确提示相关内容。 2.3.2开放性需求 系统应具有十分的灵活性，以适应将来功能扩展的需求。系统可运行在非主流的WINDOWS操作系统平台上，便于以后系统的升级。 2.3.3可扩展性需求 系统设计要求能够体现扩展性要求，且具有良好的可扩充性和可移植性，以适应将来功能扩展的需求。 2.3.4系统安全性需求 系统有严格的权限管理功能，各种功能模块需有相应的权限才能进入。系统需能够防止各类误操作可能造成的数据丢失,破坏。防止用户非法获取网页以及内容。 另外，系统拥有强大的数据库系统，以实现对环境的全面监测。 2.3.5应用环境需求 1）系统运行的硬件环境: 客户机，web服务器，数据库服务器，传感器，数据统计记录仪，数据传输设备 2）系统运行的软件环境:独立的操作系统， 数据库(SQL server 2010) 3.详细设计3.1各环境监测子系统解决方案1）空气在线监测系统空气质量在线监控系统是由若干子系统及数据采集处理子系统等组成。测定空气中颗粒物浓度，二氧化硫浓度，氮氧化物浓度，同时测量温度，压力，流量含湿量，含氧量等参数，计算各种参数，图表并通过数据传输至环保主管部门，实现对监测区域的无人化远程实时监测，做到实时监控和应急预警。2）海洋在线监测系统海洋污染物联网系统建设能够监测一个国家海洋某个区域内水质的变化情况，污染物情况，当发生一些人为灾害或者自然灾害时，系统会进行自动报警，及时提醒相关部门处理。该系统主要监测海洋中各种重金属元素及其他污染物的含量及变化，以及海洋生物的生存状态等，计算各种数据，并将数据和图表提交给海洋管理部门，实现对我国海洋领域的水质进行在线监测和管理。3）水质在线监测系统水质在线监测系统是一套以在线自动分析仪为核心，运用现代传感器技术，自动检测技术，自动控制技术，计算机应用技术以及配套的软件和通讯网络组成的一个综合性在线自动监测体系。方案平台基于微定量分析技术及系统智能集成技术，系统通过对水样及预处理系统进行控制，从而实现了水样的环境参数进行测量控制预警等功能。利用物联网技术构建污染源自动监测管理体系，在重点污染企业废水，废水排放口设置在线监测设备，并对现有监测设备进行升级改造，实现对监测点污染信息的自动获取；通过智能感知和获取污染因子排放数据，实现中心管理控制平台对污染源全覆盖，全自动，全天候的监控，提高污染源监器管理的水平和效率。4）生态环境监测子系统生态环境监测系统相对比较复杂，主要通过监测某区域生态环境系统温度，水份，植被覆盖率，动物的迁徙等，来判断监测区域内的生态环境变化。通过视频监控系统，可以监测某区域生态环境的动物的生存状态，最终汇集到中央控制系统中。生态环境的物联网监测应用主要是在一些自然保护，通过对稀有动植物的分布，和状态进行统计分析；对沙漠绿色植被生存环境的采集和分析，由相关人员进行研究，防止沙漠化加剧；对热带雨林生态监测，对某时段雨林系统的温度，水份，气体含量进行统计，并由相关生态研究员进行分析评估，预防雨林自然火灾；草原生态监测系统定期对草原环境进行监测，防止草原退化。然后把相应数据统计提交给相关生态环境研究部门，方便生态学者对自然生态环境的变化进行记录和分析，也方便相关研究人员给出及时的解决和监管方案。5）城市环境监测子系统城市环境监测子系统，通过污染源监测系统平台，对各个城市重点污染源污染物的排放总量，噪声污染监测，粉尘监测。提高监察效能，必须采用自动化，信息化，科学化的技术手段，建设污染源在线监控系统平台，为节能减排，环境统计，排污申报，排污收费等提供依据。3.2系统结构设计系统总体结构框架图 图1 智能环境监测拓扑结构图 3.2.1 各子系统拓扑图1）空气在线监测系统拓扑结构图图2 空气在线监测系统拓扑结构图2）海洋在线监测系统拓扑图图3 海洋在线监测系统3)水质环境管理系统拓扑图图4 水质环境管理系统拓扑图4）生态环境管理子系统拓扑图图5 生态环境管理子系统5)城市环境管理子系统拓扑图图6 城市环境管理子系统拓扑图4.总结该多功能环境监测系统是整个信息系统，结合了嵌入式系统技术，远程无线网络通信技术，智能监测技术等最新的高科技技术。终端主体采用最新的嵌入式系统技术，可以大大提高系统的集成度和稳定性。配备大容量的内存和Flsh存储片，软件运行微软最新实时嵌入式操作系统WINCE。通过网络连接全国所有的监测点，实现信息传递和信息共存。该系统是全国统一的内部交换信息网络体系，基本建立起覆盖全国省，市，县，大多数乡镇农村的环保信息服务网络；要按照网络技术标准，在全国各省（区，市）地（市），县建立相应的环保监测信息平台，实现全