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基于物联网的智能化环境监测系统研究平台
摘要：本文通过对重点污染源排放状态的自动监控，及时、准确、全面地反映环境质量现状及趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划、环境评价提供客观的科学依据，采用了计算机、通讯和自动化领域最新的产品和技术，从而构建新一代的污染源在线自动监测（监控）系统。

关键词：物联网；环境；检测（监控）；平台
哥本哈根气候峰会在2009年12月举行，许多国家希望达成一份具有约束力的二氧化碳减排协议。

与此同时，各国都陆续将物联网的建设上升到国家战略的层面，旨在通过物联网的应用实现节能减排，成就低碳经济。

物联网作为低碳经济革命的技术创新之一，是要在能源流的整个过程中提高能源生产率和降低二氧化碳的排放。

低碳经济社会的特点是要建立能源互联网，使得不同形式、不同时空的能源可以得到聪明的使用。

这既可以大幅度地减少能源消耗和二氧化碳排放，同时又可以大幅度地提高人们的生活质量和便利性。

1 系统总体设计
1.1 异构自组织无线传感器网络
拟采用三层架构：底层节点包括信息采集设备等；中间层由车载设备节点或多跳转发设备构成；上层由位置固定的网关节点组成。

1.2 平面型环境监测气体传感器
气体传感器：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺
寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。

二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。

1.3 环境与气象监测信息处理中心及通讯终端
监控中心采用标准的B/S系统架构，同时采用通用的软、硬件产品，并规范数据存储格式，使系统具有兼容性强、规模易扩展的特性。

定制移动终端采用CPU+DSP核的硬件架构，可以实现高速的数据处理能力。

丰富的外部接口和高亮度大屏幕，坚实的外壳能很好满足特殊要求。

终端采用VISION公司的VISION225+TI公司的OMAP5910构成的硬件平台。

2 系统技术难点分析
基于物联网的智能化环境监测系统主要研究的内容是异构自组织无线传感器网络与平面型环境监测气体传感器。

2.1 异构自组织无线传感器网络系统架构
信息采集节点：由传感模块和数据处理传输模块组成，能够自组织成无线网络的节点。

传输距离50-100米，功耗休眠期10mW，工作时间100mW，传输距离可扩展为500米，接口包括模拟4-20MA和RS485接口。

车载节点和多跳转发节点：是具有较强数据收集能力的中心节点，把传感节点汇集来的数据进行接收和处理，传输距离500-1000米，功耗随传输距离变化。

网关节点：把车载节点和多跳转发节点通过Internet转发给中央控制系统，具有无线接入网络和宽带接入网络功能。

终端设备：是由能够上网的PC、PDA或智能手机构成，实现远程浏览。

中央控制管理：通过节点收集的各类信息最终汇总到中央控制系统，自主设计开发的中央控制系统
可以实现多方面的功能。

监测区域的可视化展示：可以以三维立体的方式观察到监测区域和各节点所处位置。

数据分析处理：可实时显示目前的状态数据，并对历史数据进行显示、分析、绘图和管理等操作。

节点控制：可通过中控系统，实时查看各节点的工作状态、路由信息，并对其进行控制。

反馈控制：可通过系统预设的下行通道，对相应的设备发出指令，进行反馈控制。

2.2 电化学传感器技术方案特点
化学气体传感器由贵金属催化电极、铂丝引线、气体传感器外壳、电解液及其它辅助材料组装而成，所用材料中贵金属催化电极、电解液为自加工配套生产，铂丝引线、气体传感器外壳为外部购件。

综合运用了纳米材料制备技术合成核心功能材料、采用催化剂表面修饰技术、传感器表面选择性介孔分子筛制造技术、机械片式高分子材料自动拉伸复合透气膜制造技术、精密丝网印刷技术等先进技术，创新性强，技术含量高。

2.3 高效的数据链路层协议
基于各种特定应用环境特征（基于时间、空间特征和网络、终端属性）和规律，提取适用于资源极度受限条件下的微型特征库。

进一步根据环境特征动态协同调整数据传输策略，减少信号冲突，降低资源开销。

提出网络自适应、协同动态感知环境上下文算法，基于上下文感知设计自适应优化MAC协议，提出适应于多信道多收发器（MIMO）的协作式MAC协议。

2.4 跨层优化设计
基于最优代理提供不同协议层之间信息的交换与控制的机制，以改善异构网络，尤其是无线传感器网络的性能；基于信息返回的事件驱动模型
和跨层数据共享与同步机制模型；定义新型可扩展的层间接口和各层之间的边界，提出各层之间协同的联合调度机制。

2.5 安全机制
基于多种异构网络环境下（现有的安全机制），结合各子网络的特征，在资源（如：电池能量、计算能力等）严重受限的情况下，研究多网络协同的安全体系结构；在多种异构网络环境下，研究以安全性为目标的新型路由机制；针对资源严重受限的异构网络（传感器网络）环境，提出高效率的加密算法。

异构自组织无线传感器网络是一种低成本、低功耗、多跳、多频、多点对多点通信的自组织的无线传感网解决方案。

可根据不同的需求特征分为四种系列产品，可以广泛应用于气象与环境监测、建筑、矿山、仓储、工业、农业、医疗、军事等领域。

其中，A系产品是首要研发的基础系列有功能全、功耗低等特点；D 系和B系拓展A系产品的通信能力，在稳定性、距离和带宽方面均有提高，其中D系侧重距离，B系侧重带宽；C系产品是外挂通信模块、自身只具有核心组网协议但运算速度很高系列产品，用于一些特殊应用场合。

3 系统硬件架构
定制移动终端采用CPU+DSP核的硬件架构，可以实现高速的数据处理能力。

丰富的外部接口和高亮度大屏幕，坚实的外壳能很好满足特殊要求。

终端采用VISION公司的VISION225+TI公司的OMAP5910构成的硬件平台。

主处理器OMAP5910为ARM9内核心+DSP构架，运行操作系统和进行图像，数据的处理，VISION225实现无线数据的传输通讯。

软件采用Windows
Mobile 6.0操作系统。

4 系统主要研究目标
4.1 异构自组织无线传感器网络部分
选择评估不同无线频率的传输特性，测试抗干扰性指标和电磁兼容指标，确定异构自组织无线传感器网络中各设备的基本工作方式。

基于自适应的拓扑结构和路由机制，在具有多种异构网络的环境下实现零配置动态组网机制，设计异构网络的拓扑管理和自动诊断与恢复机制，实现高容错的特征并进行验证。

基于上下文感知设计自适应的数据链路协议，基于跨层优化思想设计高效的路由协议，开发信息采集节点、信息发布节点、车载设备、转发设备和网关节点，实现基本的网络管理和路由。

4.2 平面型环境监测气体传感器部分
按照高精度、高敏感的要求，开发新型气体传感器，达到批量生产的工艺要求。

检测VOC的气体传感器，对甲苯，苯，丙酮检测下限在1ppm 以下；测硫化氢的气体传感器，其检测下限在1ppm以下，而且响应恢复时间快，响应时间小于10秒，恢复时间小于30秒；用于检测二氧化氮的气体传感器，对二氧化氮有很高灵敏度，检测下限在0.5ppm以下，而且元件功耗低，小于160毫瓦；用于检测氟利昂的气体传感器，对氟利昂有高灵敏度，检测下限在30ppm以下。

4.3 环境与气象监测信息处理中心部分
对信息中心的技术平台进行搭建；做出需求分析并完成信息中心的系统设计。

完成信息中心进行代码设计、编写并进行整体的系统测试达到交付使用的目标。

5 系统实现的功能
⑴实现了环境监控网络系列节点平台，满足小型化、低功耗、长距离通信和功能可扩展等实际应用需求。

在节点小型化、低功耗设计上，采用软硬件协同设计，合理利用处理器多种工作模式，采用片上系统（SOC），实现了系统功耗最低化；在长距离通信节点设计上，通过低噪放大器和功率放大器提高信号接收灵敏度和发送功率满足长距离通信需求。

⑵实现了适用性强、低功耗、高连通度的异构自组织无线传感器网络路由协议，并针对节点定位需求，设计了盲节点定位方案。

基于跨层优化设计的协议，具有报文负载小、网络通信量少、易于部署和维护等特点，很好地解决了安全监控系统的实际应用需求。

⑶实现了基于CDMA/GPRS/3G技术的远程监控网络，满足安全监控系统的远程实时监控需求。

同时，异构自组织无线传感器网络的不同系列产品还在此基础上，有针对性地对实现性能的进一步提升，以满足各行业不同的需求。

6 结论
从全国的环境监测数据来看，我国的环境污染恶化的趋势已得到基本控制，环境质量有所改善，但是污染仍处于相当高的水平。

因此迫切需要大量的现代化的环境监测仪器，特别需要优质的自动监测系统和污染源在线连续监测系统。

面对严峻的环境污染和生态环境恶化的形势，对环境质量、生态环境现状及变化趋势进行实时、准确的大量监测，对污染源及其治理进行监督监测，是摆在全国环境保护工作者面前最艰巨的任务之一。