汪先鋒

（山東省環(huán)境保護信息中心，濟南 250101）

引言

近年來，我國大力加強環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)中的信息化建設(shè)，在環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、污染源自動監(jiān)控、環(huán)境應(yīng)急等方面做出了大量的探索和努力。隨著信息技術(shù)和環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)的深入整合和發(fā)展，我們研究和設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)總體架構(gòu)。該設(shè)計將實現(xiàn)“物物相連”的數(shù)據(jù)采集與傳輸設(shè)備納入環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)與各類自動監(jiān)測設(shè)備之間能夠互相通信、相互協(xié)作，共同完成相關(guān)環(huán)境自動監(jiān)測任務(wù)。如，在河流斷面自動監(jiān)控體系中，通過與自動監(jiān)測設(shè)備（或傳感器）之間相互協(xié)作，實時采集與傳輸自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并對河流的上中下游相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性進行檢查和判斷。采用代碼分發(fā)機制，通過主控制端向各數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點分發(fā)軟件升級程序，在最快、最安全的前提下，完成數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的遠程自動升級。該系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用為實現(xiàn)環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1. 設(shè)計思路

針對環(huán)境自動監(jiān)控需要實現(xiàn)對本地區(qū)大范圍內(nèi)多級、多層次、多種類環(huán)境要素質(zhì)量進行自動連續(xù)的、實時的、全天候的監(jiān)測與監(jiān)控這一特點，本文就基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集與傳輸，提出了設(shè)計允許多種類型環(huán)境要素自動監(jiān)測設(shè)備和多類型環(huán)境監(jiān)測傳感器接入，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式、多協(xié)議多目標數(shù)據(jù)通信的高可靠和安全可信的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)參照《污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準》（HJ/T 212—2005）和《污染源在線自動監(jiān)控（監(jiān)測）數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求》(HJ 477—2009)兩個標準進行設(shè)計。

該系統(tǒng)在傳統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的智能性和控制性，使數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)與自動監(jiān)測設(shè)備、傳感器之間不僅可以通信，而且可以通過協(xié)作完成相關(guān)的環(huán)境自動監(jiān)測業(yè)務(wù)。最終形成與各類污染源和環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測信息的采集、處理、傳輸、存儲、基礎(chǔ)應(yīng)用和綜合應(yīng)用等，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化和規(guī)范化。

2. 總體架構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)是硬件與軟件結(jié)合為一體的設(shè)備，通常簡稱為“數(shù)采儀”。其必須要具備環(huán)境自動監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行參數(shù)的采集、實時在線通信、報警、遠程控制、數(shù)據(jù)存儲、查詢、系統(tǒng)日志、設(shè)置等功能。同時還應(yīng)具有抗干擾能力強、停電自動切換、來電自動恢復(fù)、數(shù)據(jù)補傳、異常情況恢復(fù)后的自動啟動和復(fù)位等功能。

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)要能夠支持與各種自動監(jiān)測儀器及系統(tǒng)的聯(lián)接，以便在不做任何改動的情況下，可隨時增加監(jiān)測項目的采集和存儲；具有任意通信協(xié)議的軟件編程功能，可以與任意監(jiān)測儀器進行通信的協(xié)議，同時還能按用戶要求編制與上位機通信的協(xié)議，并能實現(xiàn)不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)支持多種通信方式（GPRS/EGPRS/CDMA，3G和各種有線網(wǎng)絡(luò)），可同時采用多路信號輸出，并可在不做任何改動的情況下，同時使用兩種以上的通信方式，并能利用一種通信方式實現(xiàn)一數(shù)多發(fā)的功能，支持與多個環(huán)境監(jiān)控中心的聯(lián)接和通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

總體架構(gòu)與全國環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)框架示意圖如圖2所示。

圖2 總體架構(gòu)與全國環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)框架示意圖

3.實現(xiàn)流程與功能

在基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境自動監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)應(yīng)用時，可以把CEMS（廢氣在線連續(xù)監(jiān)測儀器）儀器，從企業(yè)的排污煙囪采集排放污染物的數(shù)據(jù)和儀器的工作狀態(tài)信息，由鍋爐運行負荷采集裝置和室溫傳感器采集的鍋爐運行負荷與室溫數(shù)據(jù)，通過在監(jiān)測現(xiàn)場配置的環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，接入互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)。廢水在線監(jiān)測儀器把廢水污染源的排放物的數(shù)據(jù)及該儀器的工作狀態(tài)信息，通過在監(jiān)測現(xiàn)場配置的環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，接入互聯(lián)網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)，傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。業(yè)務(wù)人員通過訪問監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，可以實時掌握和了解現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時可將監(jiān)控命令通過網(wǎng)絡(luò)傳到現(xiàn)場的監(jiān)測儀器，從而實現(xiàn)對監(jiān)測儀器的遠程控制。環(huán)保業(yè)務(wù)主管部門、各相關(guān)企業(yè)和公眾，可通過Internet訪問系統(tǒng)的Web服務(wù)器，根據(jù)不同的權(quán)限分類查看由市級監(jiān)控中心審核后發(fā)布的各類環(huán)境自動監(jiān)測數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)與自動監(jiān)測設(shè)備的通信結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)與自動監(jiān)測設(shè)備的通信示意圖

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集與傳輸

系統(tǒng)可同時向國家、省、市、縣環(huán)保業(yè)務(wù)部門和多級、多個環(huán)境監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)原始環(huán)境自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)某一點位自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，也就是說不管哪一級環(huán)境監(jiān)管部門、被監(jiān)控企業(yè)或公眾，在任何時間看到的某一點位環(huán)境數(shù)據(jù)，都是由該系統(tǒng)同時發(fā)布的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，這樣能夠確保數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，實現(xiàn)一源一數(shù)，一數(shù)多用。

2個或多個數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)之間能夠相互通信，組織成一個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該種互聯(lián)互通的體系結(jié)構(gòu)大大優(yōu)越于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠完成環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時多級傳輸，而且數(shù)據(jù)終端的智能化程度更高，它們之間可以通過自組網(wǎng)的形式協(xié)作完成一系列相關(guān)業(yè)務(wù)。

該系統(tǒng)相互通信及與環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系如圖4所示。

3.2 主要功能實現(xiàn)

以自動監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)采集、智能數(shù)據(jù)傳輸和精確流程控制為重點，突出“一點多發(fā)、自動補發(fā)、WEB發(fā)布”等特點和功能，展現(xiàn)該系統(tǒng)的智能化和一體化，充分發(fā)揮與環(huán)境自動監(jiān)控體系充分融合的最大效益。

3.2.1 Internet直接訪問

系統(tǒng)實現(xiàn)能夠向國家、省、市、縣四級環(huán)境監(jiān)控中心傳輸實時原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)用戶通過Internet登錄環(huán)境自動監(jiān)控管理系統(tǒng)，查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)用戶直接登錄服務(wù)器查看原始監(jiān)測數(shù)據(jù)。管理員用戶可通過Internet可以直接訪問數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，查看數(shù)據(jù)采集與傳輸狀態(tài)，制訂修訂數(shù)據(jù)采集與傳輸策略，掌握和控制自動監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)。

3.2.2 協(xié)作檢查

在指定的兩臺數(shù)據(jù)采集與傳輸儀之間通信協(xié)作，可完成區(qū)域內(nèi)氣體總排放量計算與數(shù)據(jù)不一致性檢查等功能。

3.2.2.1 計算城市區(qū)域內(nèi)的氣體總排放量

在通信協(xié)作情況下，各個數(shù)據(jù)采集與傳輸儀都具有計算能力，各自的環(huán)境自動監(jiān)測不必上傳到環(huán)境自動監(jiān)控中心平臺。系統(tǒng)對某個特定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與傳輸，能通過自身的計算能力，相互協(xié)作統(tǒng)計出本區(qū)域的環(huán)境污染狀況（比如大氣排放狀況），能夠減輕環(huán)境監(jiān)控中心的計算負載，也使得環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)統(tǒng)計更加科學。

3.2.2.2河流的上、中、下游數(shù)據(jù)不一致性檢查

由于各個數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)之間能夠互聯(lián)互通，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過接力的方式相互傳輸。某個河流上、中、下游都安裝部署了數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，上游的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)將其環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞到中游的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，中游的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)接收到上游的數(shù)據(jù)之后，自身進行迅速比對，可以迅速發(fā)現(xiàn)水域污染警情，以防止重大污染事故和污染源的擴散。

3.2.3 故障診斷

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)之間可以相互通信，相互感知相鄰節(jié)點的狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)A無法正常向環(huán)境監(jiān)控中心上傳環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，這時臨近的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)B就可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)包，探測A的狀態(tài)，以確定A的運行與通信狀況。

3.2.4 軟件遠程升級

采用代碼分發(fā)機制，向數(shù)據(jù)采集與傳輸終端分發(fā)智能升級程序?？梢蕴嵘蛢?yōu)化數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的智能性和可控性，可以遠程向其注入軟件程序。由主控制節(jié)點分別向特定的節(jié)點分發(fā)升級程序，完成局部或所有數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的遠程升級。

3.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)采用ColdFire MCF5272 的32位高性能嵌入式微處理器，內(nèi)存為64MB，系統(tǒng)閃存FLASH為8M，操作系統(tǒng)采用工業(yè)級的LINUX平臺，具有極高的系統(tǒng)可靠性與安全性，具有可編程功能，可實現(xiàn)智能多通信協(xié)議處理、組件式的監(jiān)測設(shè)備通信協(xié)議動態(tài)鏈接庫。采用嵌入式數(shù)據(jù)庫進行實時數(shù)據(jù)采集、存儲和分析，存儲空間能夠保存自動監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)生的12個月以上的歷史數(shù)據(jù)。

3.2.6 豐富的擴展性

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)具有8路RS233/485數(shù)字接口、8路AI、8路DI/DO接口；一個以太網(wǎng)口、一個RJ45/USB調(diào)試口（均可擴展）；全部采用表貼元器件和高可靠性接插件，四層板設(shè)計，有單獨的地層和電源層；采用主板和不同功能擴展模塊壓縮到一個主模塊上的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊簡單；接口全部隔離包含電源隔離、信號隔離（光耦）等；具有良好的電磁兼容性，防快速瞬變電脈沖群干擾、防靜電、 防輻射干擾、防浪涌干擾、防電壓暫降、短時中斷和電壓變化干擾等。

圖4 系統(tǒng)相互通信及與環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系圖

3.2.7 自動校驗

采用嵌入式數(shù)據(jù)庫處理所采集的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集時可自動校驗和分析、存儲數(shù)據(jù)，并具有分析數(shù)據(jù)質(zhì)量碼的功能，可判斷所采集數(shù)據(jù)是正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)還是在設(shè)備校正、維修、清洗等狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集具有實時性，遙測傳送時間小于4秒，搖控指令從數(shù)據(jù)中心到采集裝置時間小于2秒。

3.2.8 多種通信與傳輸方式

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)將支持CDMA/GPRS/3G/ADSL/光纖寬帶/串口等無線和有線通信方式，能充分滿足用戶各種不同情況下的多種通信傳輸方式的要求。

支持所采集數(shù)據(jù)進行定時傳輸、采樣傳輸、召喚傳輸、透明傳輸?shù)葦?shù)據(jù)傳輸方式。具有數(shù)據(jù)多點發(fā)送功能，為在不同地點、不同終端提供同步、不同形式的實時和歷史數(shù)據(jù)。具有可同時向最多達8個目標IP地址（監(jiān)控系統(tǒng)）發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，具有數(shù)據(jù)自動補發(fā)和歷史數(shù)據(jù)召喚的功能，具有能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的遠程反控和對時的功能。

3.2.9 支持多種通信協(xié)議

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)支持開放的工業(yè)標準規(guī)約IEC 60870-5-104、各行業(yè)和各生產(chǎn)廠家的數(shù)據(jù)采集與傳輸標準。

3.2.10 具有WEB發(fā)布功能

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)采用AppWeb作為嵌入式WEB服務(wù)器，使監(jiān)控人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)控：最多支持8個通信點同時對1個點進行遠程監(jiān)控；對系統(tǒng)中所有模塊具有故障自動診斷,自動報告功能，可以采用手機短信及時通知最多32個相關(guān)人員。通過WEB就可以對數(shù)據(jù)進行查詢和遙測、遙控操作。

3.2.11 可實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的上傳

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)視頻監(jiān)控接口能接入視頻裝置，可以看到監(jiān)測站點內(nèi)部、排污口、煙囪和城市空氣環(huán)境的實時視頻監(jiān)控畫面，每秒至少傳輸6幀畫面。

4. 結(jié)語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境自動監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，具有明顯的智能特性，該系統(tǒng)不僅具有“一點多發(fā)、自動補發(fā)、WEB發(fā)布”等特點，還具有較強的遠程可控性，相互之間的通信、協(xié)作能力能夠完成某些特定的環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控業(yè)務(wù)，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用效率。采用代碼分發(fā)機制，能夠快速安全地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸終端設(shè)備的遠程升級。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠充分保障環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有效采集與傳輸，為環(huán)境監(jiān)管奠定技術(shù)堅實的基礎(chǔ)。

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