王海寶 吳婷婷 吳光杰

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）（2.重慶三峽學(xué)院，重慶萬州 404100）

隨著人類物質(zhì)文明的提高，經(jīng)濟(jì)利益的不斷增長，人類對大自然的危害也日趨加重.環(huán)境污染已是一個(gè)刻不容緩、亟待解決的問題，也是造福人類的可持續(xù)發(fā)展問題.環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)由手動(dòng)控制逐步向自動(dòng)控制邁進(jìn)，環(huán)境監(jiān)測的儀器不斷完善，但是對于某些惡劣的環(huán)境、危險(xiǎn)的檢測站，不適合人員長期的檢測，這就呼喚出了各種各樣的遠(yuǎn)程控制自動(dòng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，比如遙感技術(shù)，基于GPRS，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；軟件設(shè)計(jì)更加理智化、可行化，如Linux，LabVIEW等.

1 基于遙感技術(shù)的在線監(jiān)測技術(shù)

遙感技術(shù)是20世紀(jì)60年代興起的一種綜合性探測技術(shù)，以電磁波與地球表面物質(zhì)相互作用為基礎(chǔ)，探測、分析和研究地球資源與環(huán)境，遠(yuǎn)距離不直接接觸物體而識別、測量并分析目標(biāo)物性質(zhì).遙感技術(shù)主要分為可見光、反射紅外遙感技術(shù)，熱紅外遙感技術(shù)，微波遙感技術(shù)三中類型.[1]

自20世紀(jì)90年代以來，雷達(dá)衛(wèi)星開始使用之后，遙感技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用在水質(zhì)監(jiān)測、大氣監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)測和全球環(huán)境監(jiān)測中.[2]1）通過對污染水和潔凈水的發(fā)射光譜差異實(shí)現(xiàn)對水體的遙感監(jiān)測，從而達(dá)到科學(xué)處理污染水的目的.目前，我國水質(zhì)監(jiān)測主要有湖泊營養(yǎng)化、海洋赤潮和河流污染.2）通過間接解釋標(biāo)志（植物對有害氣體的敏感性）來推斷大氣的污染程度和含量，目前利用大氣空基遙感監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對臭氧層、氣溶膠和二氧化碳等的監(jiān)測.3）人類不停的開發(fā)消耗自然資源，加重了生態(tài)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，我們必須正確的認(rèn)識和評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量.劉煥高、劉慶生等人建立了黃河三角洲土地利用遙感信息分類體系與動(dòng)態(tài)變化識別模型，開發(fā)了多種基于遙感技術(shù)的生態(tài)監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測和綜合性分析.[3]

遙感技術(shù)正在不斷發(fā)展，也給環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)帶來了便利，建立遙感監(jiān)測圖像與環(huán)境污染物參數(shù)的定量分析將是后續(xù)工作的重點(diǎn)所在.遙感技術(shù)與全球定位系統(tǒng)（GPS）、專家系統(tǒng)(ES)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的科學(xué)性結(jié)合，[4]將大大提高在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使得在線監(jiān)測合理化、智能化.但是，現(xiàn)在遙感技術(shù)的訓(xùn)練和信息交換的開銷已經(jīng)成為遙感技術(shù)發(fā)展的瓶頸.

2 基于GPRS和Linux的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 GPRS技術(shù)

General Packet Radio Service是通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS的英文全稱，它是一種基于2G的GSM的2.5G無線分組交換技術(shù)，也是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù).GPRS性能特點(diǎn)主要是覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)在線、傳輸和接入速度快，能在移動(dòng)用戶和遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供鏈接，從而給移動(dòng)用戶提供高速無線傳輸.GPRS特別適合于間斷的、突發(fā)性的或者頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢，特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸.[5][6]

在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，利用GPRS模塊（以法國WAVECOM公司的GPRS模塊為例，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示）快速高效的將數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet上，使得在環(huán)境變化惡劣之前，環(huán)保單位（環(huán)境監(jiān)測中心站）及時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以做出相應(yīng)的對策.

圖2.1 基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)測結(jié)構(gòu)

圖2.1 GPRS在上述系統(tǒng)中，GPRS模塊可以與多個(gè)監(jiān)測子站同時(shí)連接，這就使得在偏遠(yuǎn)的地區(qū)可以很方便的一次性布點(diǎn)成功，環(huán)境監(jiān)測的效率將得到大大的提高.但是基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)依然存在很多不利的因素，比如說，GPRS是處在2.5G階段的移動(dòng)通信技術(shù)，而當(dāng)今3G技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，3G組網(wǎng)正處于完成與即將完成的階段，2G的運(yùn)用將會有所減弱，這樣就勢必影響基于GPRS環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)，給國家?guī)淼慕?jīng)濟(jì)損失是難以估計(jì)的.所以，是否繼續(xù)要選擇GPRS模塊改進(jìn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)需要認(rèn)真審視的問題.

2.2 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

GPRS是環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分，隨著各種技術(shù)的進(jìn)步和軟件設(shè)備的發(fā)展，對于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存取也提出了越來越高的要求.嵌入式系統(tǒng)結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體工藝技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，應(yīng)用為中心，能夠適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中條件苛刻的專用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng).Linux正在成為嵌入式軟件平臺的重要選擇，由于源代碼豐富而且是免費(fèi)開放的，這樣就顯著降低了嵌入式系統(tǒng)的使用成本.[7]現(xiàn)在的服務(wù)器端的軟硬件大多都支持Linux，而且IT技術(shù)人員很快就可以熟悉Linux，它還支持藍(lán)牙技術(shù)，是自由的多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)，用戶可以獲得多種配置及體系不同的Linux版本.所以，以Linux為系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺的環(huán)境在線檢測系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用.

基于ARM9的S3C2440（S3C2410A）微處理器和Linux通過建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫來共同完成對數(shù)據(jù)的采集、處理和存取.該系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)模塊：串行通信模塊（RS232、RS485、CAN總線）、遠(yuǎn)程通信模塊（GPRS）、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)探測模塊、數(shù)據(jù)重傳模塊、報(bào)警邏輯模塊和狀態(tài)回報(bào)模塊.[8][9]

將GPRS系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)的環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)中，嵌入式計(jì)算機(jī)的作用主要是對傳感器檢測到的環(huán)境的物理信號進(jìn)行采集，并且對采集到的信號進(jìn)行分析和處理.在檢測過程中，嵌入式操作系統(tǒng)創(chuàng)建的龐大的數(shù)據(jù)庫模塊，對數(shù)據(jù)分析和處理起到了明了而且快速的作用，為后續(xù)控制操作提供了不可多得的數(shù)據(jù)寶庫，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可移植性.GPRS系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的軟硬件的相互配合，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)傳輸完美的結(jié)合，使得環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和綜合化方向發(fā)展.

3 基于Ad hoc和LabVIEW的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)

Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)是由一組自主的無線節(jié)點(diǎn)或終端相互合作而形成的網(wǎng)絡(luò)，具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無線通信的特點(diǎn)，即是一個(gè)自組織、多跳變、由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過無線鏈路組成的動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓木W(wǎng)絡(luò).[10]隨著Ad hoc網(wǎng)絡(luò)研究的日益深入，這種技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化戰(zhàn)場以及緊急和災(zāi)難等危險(xiǎn)場景，同時(shí)也得到了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的青睞，特別是美國部分大學(xué)正在研制推行的MIMO -Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，具有更大的靈活性，使得數(shù)據(jù)傳輸模塊更加靈活多變，適應(yīng)環(huán)境能力更強(qiáng).

在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的主要作用就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理.在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)采集依然在系統(tǒng)的最前端，而預(yù)處理主要有三個(gè)方面的任務(wù)，即：一對傳感器所傳遞的物理信息進(jìn)行采集，并且做本地處理（信號調(diào)理等）；二對傳感器傳遞的性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理和回放顯示；三對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸.

3.2 LabVIEW

LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，LabVIEW簡化了虛擬儀器的開發(fā)過程，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試周期.

20世紀(jì) 80年代中期，美國國家儀器公司（National Instrument，簡稱NI）首先提出了“軟件即儀器”（The Software is the Instrument）這一虛擬儀器（VI）的概念，并以具有強(qiáng)大功能的LabVIEW為虛擬儀器開發(fā)平臺.這個(gè)概念為用戶定義、構(gòu)造自己的儀器系統(tǒng)提供了完美的解決途徑.

LabVIEW主要由前面板（front panel）、程序框圖（blockdiagram）和圖標(biāo)/連接器端口三部分組成.[11]以電子稱的設(shè)計(jì)為例，前面板和程序框圖分別如圖3.2.1和3.2.2所示.

圖3.2.1 電子稱的稱重過程前面板

圖3.2.2 電子稱的稱重過程程序框圖

環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中，LabVIEW主要是通過NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡（多種型號）對傳感器傳遞的物理信號進(jìn)行采集，同時(shí)可以設(shè)置二次數(shù)據(jù)處理計(jì)算、屏幕顯示、數(shù)據(jù)存儲、打印輸出和人機(jī)聯(lián)系等.[12]將Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和LabVIEW相結(jié)合，用于對環(huán)境的在線監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)框圖如3.2.3圖示.

圖3.2.3 基于Ad hoc遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

基于LabVIEW和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，人機(jī)界面友好，操作簡單且方便，在今后的時(shí)間里具有潛在的實(shí)用價(jià)值.但是，基于Ad hoc的智能自動(dòng)檢測系統(tǒng)自身就具有多擾動(dòng)和緊耦合的特點(diǎn)，而且Ad hoc網(wǎng)絡(luò)由于是自組織的，它的安全性能是很難得到保障的，所以運(yùn)用這樣的系統(tǒng)預(yù)存著極大的風(fēng)險(xiǎn)性.對于它的預(yù)處理操作過程是很繁瑣的，在應(yīng)用此系統(tǒng)時(shí)，大量的維護(hù)工作和安全預(yù)警工作是必須的.

4 總 結(jié)

本文主要介紹融入到環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)中的幾種技術(shù)：遙感技術(shù)，GPRS和Ad hoc，Linux和LabVIEW.就目前的技術(shù)發(fā)展來看，前兩者的使用價(jià)值更大，后者系統(tǒng)穩(wěn)定性不如前者，但是后者的操作簡單易行，不久的未來肯定能得到青睞.許多研究人員已經(jīng)開始將GPRS和LabVIEW結(jié)合并運(yùn)用到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，這就面臨著數(shù)據(jù)庫優(yōu)化的問題.[13]同時(shí)，目前大多注視檢測部分，后續(xù)的反饋控制技術(shù)還不是很成熟，運(yùn)用單片機(jī)是很常見的，但是更新的、智能化的操作方法還沒有完全實(shí)現(xiàn).

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