□ 文/吳康

新型環(huán)境監(jiān)控技術的應用

□ 文/吳康

為了滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求，守住好綠水青山保持生態(tài)文明，則環(huán)境保護受到越來越多的重視。而以現(xiàn)代網(wǎng)絡與測控技術為基礎的環(huán)境監(jiān)控可對各種環(huán)境參數(shù)進行測量與控制。尤其隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的新發(fā)展，其環(huán)境監(jiān)控技術已從數(shù)據(jù)與影音的環(huán)境監(jiān)控逐一發(fā)展到單一整合平臺整合的新技術。據(jù)此本文將對多物理量環(huán)境監(jiān)測包、整合數(shù)據(jù)與影音智能應用的單一平臺新技術及工業(yè)廢氣油污智能化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等多種新技術的應用發(fā)展作分析研討。

基于嵌入式硬件平臺的多物理量環(huán)境監(jiān)測包的特征與應用

面臨的挑戰(zhàn)

圖1 為環(huán)境監(jiān)測包結構示意圖

環(huán)境監(jiān)測要求系統(tǒng)能夠在戶外較惡劣環(huán)境下監(jiān)測多種環(huán)境參量，包括氣象、振動、噪聲、電磁場、圖像等。主要應用領域包括人居環(huán)境監(jiān)測、結構健康監(jiān)測以及節(jié)能減排項目監(jiān)測，需采用分布式結構，具體見圖1所示的環(huán)境監(jiān)測包結構示意圖。

系統(tǒng)結構及主要特點

圖1所示的環(huán)境監(jiān)測包是基于嵌入式硬件平臺（如CompactRIO型-cRIO）和圖形化設計平臺（如LabVIWE）等開發(fā)而成。由于其 CompactRIO是一種小巧而堅固的工業(yè)化控制與采集系統(tǒng)，它包含一個實時處理器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨立嵌入式或分布式應用系統(tǒng)，又包含熱插拔工業(yè)I/O模塊，內(nèi)置可與傳感器/調(diào)節(jié)器直接連接的信號調(diào)理。故作為控制核心它是一良為好的選擇，如NI CompactRIO為一典例。

據(jù)此，將各種環(huán)境參量通過相應的傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過系列模塊輸入到嵌入式硬件平臺（CompactRIO）中，以對采集到的原始信號進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過路由器發(fā)送到監(jiān)控端以及網(wǎng)絡服務器。監(jiān)控端通過TCP/IP協(xié)議與CompactRIO（通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示以及控制命令的發(fā)送。而瀏覽端用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問服務器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享和歷史數(shù)據(jù)分析。

該其環(huán)境監(jiān)測包的主要特點有：自定義的FPGA模塊和豐富的I/O模塊，能夠與幾乎所有的傳感器進行方便的連接；模塊化的軟件結構，能夠輕松地實現(xiàn)系統(tǒng)的維護與升級；采用WiFi和3G技術，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸.有利于分布式監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理。

● 數(shù)據(jù)采集和分析 它是系統(tǒng)的核心部分，采用cRIO和WSN平臺來實現(xiàn)。cRIO包括控制器（如NIcRl0-9014）如、底板（如NI cRl0-9113）和兩塊模擬輸入Nl 9205，完成64通道，采樣率1KS/s的數(shù)據(jù)采集和分析。

● 數(shù)據(jù)傳輸 作為嵌入式處理器，cRIO不僅擁有高處理性能，還支持各種傳輸方式。該系統(tǒng)中cRIO借助路由器的無線橋接功能.以Wi引方式“無縫”接入現(xiàn)場局域網(wǎng)中，把監(jiān)測結果發(fā)送至信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務器，供顯示和記錄。

● 系統(tǒng)軟件 定義了一個標準化的軟件框架，以動態(tài)調(diào)用的方式并行實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和分析、數(shù)據(jù)上傳和命令響應、數(shù)據(jù)流盤，調(diào)試接口等諸多功能，適用于所有的cRlO平臺。其圖為cRIO數(shù)據(jù)采集軟件結構示意圖。

圖2 為cRIO數(shù)據(jù)采集軟件結構示意圖

系統(tǒng)指標

● 監(jiān)測指標（標配?？蓴U展）：溫度--測量范圍為-5--55%；濕度--測量范圍為O--100%；振動-- 測量范圍為±250g，頻率范圍為0.3～10KHz，靈敏度為20mV/g，最小分辨率為0.0005g；聲音--頻率范圍為20--20KHz，動態(tài)范圍為127dB，靈敏度為50mV/Pa；電磁波--頻率范圍為10-20KHz。

系統(tǒng)指標大多受限于選配的傳感器，為了降低系統(tǒng)門檻采用了較低成本的傳感器，對于大多數(shù)驗證和科研可以適用，如果用戶須要更高精度的系統(tǒng)。

環(huán)境監(jiān)測包應用

基于嵌入式硬件平臺平臺開發(fā)的環(huán)境監(jiān)測包能夠監(jiān)測多種環(huán)境參量，系統(tǒng)具有很高可靠性和擴展性。如采用NI的嵌入式硬件平臺CompactRIO進行系統(tǒng)開發(fā)，能夠縮短開發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性，使得用戶能夠把精力放在數(shù)據(jù)的分析處理上。具體在環(huán)境監(jiān)測應用如下：監(jiān)測項目有人居環(huán)境監(jiān)測、結構健康監(jiān)測及節(jié)能減排監(jiān)測。而應用領域包括氣象——風向、風速。溫濕度、氣壓、雨量等氣象項目；高低頻振動（結構、地震）；環(huán)境噪聲、低頻電磁場。

新世代物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境設備監(jiān)控技術與應用

新理念

以往環(huán)境設備監(jiān)控應用多采數(shù)據(jù)與影音各自獨立的繁復監(jiān)控作業(yè)模式，目前新趨勢則是走向以單一整合平臺讓用戶可以更便捷的方式來觀測或監(jiān)控環(huán)境變化并控管各種設備，再加上以物聯(lián)網(wǎng)廣泛串連后的監(jiān)控也就能更有效提升管理效率。由此它是整合數(shù)據(jù)與影音智能應用朝單一平臺發(fā)展的新技術。

設計思想

改變以往水利監(jiān)控中心以往總是要定期派遣巡檢人員親自到各個泵閘監(jiān)控子站檢查與測試各種設備裝置的傳統(tǒng)方法，現(xiàn)在只要在總站內(nèi)的電腦前輕輕一按啟動/停止、上升/下降等按鍵就能輕輕松松遙控遠端設備的運轉(zhuǎn)，再透過遍及區(qū)內(nèi)的十多個子站的數(shù)位攝像頭拍下現(xiàn)場環(huán)境影像后即時傳回監(jiān)控中心，便可以隨時掌握現(xiàn)場狀況。也就是說通過電腦屏幕上就監(jiān)控到最新的自動化環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況。

此系統(tǒng)還設計了提供了3D動畫，以擬真的方式把街道、河川等地理位置正確顯示在屏幕上，只要移動畫面上的圖像游標，就能立即移至所要監(jiān)看區(qū)域的閘門、水泵、水位等情形，猶如親臨現(xiàn)場的真實感更是令人激賞。面對時序即將進入多雨季節(jié)，這樣的系統(tǒng)無疑對需要進行大量水雨監(jiān)控管理的工作人員來說，實在是一套協(xié)助做好防汛抗洪工作的好幫手。

基于WebAccess技術的單一平臺的應用

多年來，因網(wǎng)絡不夠發(fā)達與技術不甚完備的限制下，環(huán)境設備監(jiān)控EFMS（Environmental Facility Monitoring System）應用一直只能采用數(shù)據(jù)監(jiān)控與影音監(jiān)視各自獨立運作，它是一種無法進行全面連網(wǎng)的局部監(jiān)控并且也是較為繁復的作業(yè)模式。如今在物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)助下，廣域的環(huán)境設備監(jiān)控得以透過物聯(lián)網(wǎng)來進行大量串聯(lián)，構建出新型基于WebAccess技術的單一平臺，即采用一套同時能整合數(shù)據(jù)與影音監(jiān)控的系統(tǒng)平臺，以便讓用戶可以更便捷的方式來觀測環(huán)境的變化，并對相關設施進行更完善且有效率的管理，大大因而提升了EFMS的管理成效。

那么何謂WebAccess軟件技術吶？webaccess軟件是一個基于Web架構的自動化組態(tài)軟件，從工程項目、數(shù)據(jù)庫設置、畫面制作和軟件管理都通過Internet 或Intranet在異地使用標準的瀏覽器完成。可以幫企業(yè)實現(xiàn)自動化控制、遠程控制和管控一體化。

由此可見，基于WebAccess技術的單一平臺就能同時滿足數(shù)據(jù)、監(jiān)控與跨平臺顯示功能需求，而且還納入了影像、語音等功能后，位在總部的管理單位也能在既有精確的數(shù)據(jù)資料，又有第一時間內(nèi)的現(xiàn)場影像下，做出最適當?shù)臎Q策判斷，真正發(fā)揮遠端監(jiān)管的功能。

基于WebAccess技術的單一平臺優(yōu)越性

它能使環(huán)境設備監(jiān)控（EFMS）效能極大化并且適用于各行各業(yè)。目前，基于EFMS的應用概念，將底層的設備透過網(wǎng)路串連后，交由控制中心的管理層進行環(huán)境與設施的監(jiān)控方式，已廣泛運用在許多行業(yè)中，包括水壩河川、供水排水、油田鍋爐、再生能源、工廠廠房、商辦大樓、社區(qū)住宅、公共設施等領域，并且還可針對特定對象像是污染源或危險源、油氣輸送管、電信機房等進行警示監(jiān)測管理。其優(yōu)越性具體如下：

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)控制中心（如以泵閘監(jiān)控系統(tǒng)為例）可以透過系統(tǒng)提供的自動采集、泵閘控制、視頻監(jiān)視、資料交換、防汛決策、資訊發(fā)布等功能來同時管理多座乃至10多座泵閘監(jiān)控站與三個水雨情站點。其中基于Web瀏覽器的用戶端監(jiān)控特色，能讓工程人員不論是在何處都可藉由網(wǎng)絡系統(tǒng)進行遠端診斷與維護作業(yè)，而將視頻嵌入到軟體界面后，用戶操作泵閘時就能以直觀的方式看到泵組或者閘門的動作。此類系統(tǒng)擁有遠端監(jiān)控現(xiàn)場狀況及維護功能，透過冗余通信的設計，更可以高度的可靠性與穩(wěn)定性來確保提供正確的水質(zhì)資料以保障民眾的用水安全。

另外，對于企業(yè)或政府單位相當重要的機房重地，也有可提供電器設備、空調(diào)與供水、門禁保全、消防設施、煙霧或漏水等多種監(jiān)控功能的系統(tǒng)，透過整合數(shù)據(jù)與影像的遠端監(jiān)控，管理者可于單一畫面上同時查看機房現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以及即時數(shù)位影像，甚至可藉由語音功能與現(xiàn)場進行通話或嚇阻企圖強行進入的不法之徒，而WebAccess還可分區(qū)將無人機房、中小型機房全部匯整由大型機房或控制中心來統(tǒng)一監(jiān)控管理，既節(jié)省輪流值班與巡回查看的人力，也以加快故障處理速度、避免重大事故發(fā)生的科學化管理方式來提高維護質(zhì)量。

智能化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)解決工業(yè)廢氣油污

就是運用物聯(lián)網(wǎng)技術構建一個完善的廢氣處理監(jiān)控平臺，并通過與環(huán)保部門的監(jiān)控系統(tǒng)有機結合進行示范應用和推廣。圍繞該目標，本系統(tǒng)包含以下三個方面的設計方案。

前端具有信息感知的廢氣凈化處理設備

廢氣凈化工作運行：利用陰極在電場中發(fā)射出來的電子，以及由電子碰撞空氣分子而產(chǎn)生的負離子來捕捉工業(yè)廢氣粒子，使廢氣粒子帶電，再利用電場的作用，使帶電廢氣粒子被陽極所吸附，以達到除廢氣的目的。其圖3為廢氣凈化工作運行架構框圖。

圖3 為廢氣凈化工作運行架構框圖

運行基本架構

本高壓靜電廢氣凈化器為窄間距雙區(qū)式結構，雙區(qū)式是指電離段與收集段，每個電離段由一系列鎢鋼線組成，并在—系列接地板中間通給高壓直流電，大氣中的微粒在通過電離器的強力靜電場時被電離并帶有正或負電荷。

每個收集段由很多數(shù)量的平行板組成，通以高壓直流電（極性與電離器—致，但電壓減半）以形成電場，帶電微粒被接地板吸引同時也受到帶電板的驅(qū)趕，正因如此，當氣流中含有帶電微粒時，可以被高效去除。

收集組件在保證氣流平穩(wěn)分布的情況下，需保證低速通過收集段?？諝饬鲃佑晌挥谑占M件后的風機提供能量，推動空氣以特定的速度流動。

理論上，分離帶電粒子的電力與粒子帶電量及收集電場強度之積成正比。此電力的大小，就比重為l的lum粒子而言，為重力的3000倍；就比重為l的10um粒子而言，為重力的300倍；這就是雙區(qū)電場高效率的原因。

構建信息感知系統(tǒng)

首先根據(jù)廢氣凈化處理的需求，針對廢氣的特點和應用需求，綜合多種感知技術，可靠的獲取原始廢氣處理數(shù)據(jù)。具體來說，在凈化設備上進風和出風口安裝如下傳感器：進風傳感器（用于采集風速）；油污、油脂、煙堿器等傳感器；凈化設備電源監(jiān)測、工作溫度等多種監(jiān)視設備工作狀態(tài)傳感器；凈化設備巡檢識別器及無線傳感網(wǎng)（WSN）節(jié)點。

因此，本系統(tǒng)在前端搭建多信息感知系統(tǒng)，全面獲取凈化設備工作所需的各種原始數(shù)據(jù)，為構建統(tǒng)一的云計算平臺及其應用提供數(shù)據(jù)基礎，以形成廢氣凈化設備數(shù)據(jù)采集的技術標準和實施規(guī)范。其中，重點解決廢氣粒子處理及凈化設備信息采集的關鍵問題。

基于Zigbee—GPRS網(wǎng)關及多層次的數(shù)據(jù)融合傳輸系統(tǒng)

該多層次的數(shù)據(jù)融合傳輸系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡技術控制與GPRS網(wǎng)關二大模塊合成。值此需對二大模塊應用特征作說明。

ZigBee的應用領域廣泛是環(huán)境監(jiān)控及其無線通信的有效選擇。因ZigBee能夠在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，并且這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它的通信效率非常高。圖4為無線感測網(wǎng)絡的結構示意圖。因而其技術與芯片可廣泛應用于數(shù)據(jù)融合傳輸系統(tǒng)。

圖4 為無線感測網(wǎng)絡結構示意圖

因通過GPRS無線網(wǎng)絡技術，可實現(xiàn)現(xiàn)場信號的實時無線傳輸，用戶可通過因特網(wǎng)，訪問GPRS服務器，隨時查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)。DTU是構建遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要設備，其主要功能就是為用戶的串口設備與遠程的電腦之間建立一個透明的數(shù)據(jù)通道。圖5為用戶設備與服務器數(shù)據(jù)傳輸過程。

圖5 為用戶設備與服務器數(shù)據(jù)傳輸過程

GPRS DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包為標準的TCP/IP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包可以在移動網(wǎng)絡和Intemet上傳輸，所以只要計算機能連接移動網(wǎng)絡或Intemet就可以接收到DTU發(fā)出的數(shù)據(jù)包。

由上Zigbee—GPRS網(wǎng)關結合成中段多層次的數(shù)據(jù)融合傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)。針對前端系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的應用需求，采取不同的通信策略，實現(xiàn)向企業(yè)、云計算平臺、環(huán)保局等信息系統(tǒng)的分層次傳輸。對需求的具體分析：對于獲取的凈化設備工作數(shù)據(jù)，現(xiàn)場顯示，實時傳輸?shù)狡髽I(yè)單位的管理平臺，并定期向后端云平臺匯聚，如出現(xiàn)異常信息，需要現(xiàn)場報警、企業(yè)內(nèi)部管理平臺報警，并實時傳輸?shù)胶蠖嗽破脚_，快速推送給管理部門。因此，項目建設的數(shù)據(jù)融合傳輸系統(tǒng)，是通過Zigbee網(wǎng)絡將前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)過Zibbee—GPRS網(wǎng)關，按層次向不同的人、系統(tǒng)和平臺進行傳輸和匯聚，以滿足后端數(shù)據(jù)處理和分析的要求。其中，需重點解決的是針對滿足不同類型數(shù)據(jù)（實時、非實時）的推拉混合方式的數(shù)據(jù)傳輸機制及數(shù)據(jù)交換的標準和操作規(guī)范。

后臺——云計算數(shù)據(jù)平臺及WEB服務

系統(tǒng)的核心是采用云計算、中間件技術，搭建一個分布式、模塊化數(shù)據(jù)中心平臺，滿足各種環(huán)保應用系統(tǒng)對異構數(shù)據(jù)的處理要求。

對需求的具體分析：云平臺所存儲和處理的數(shù)據(jù)，面向各種不同的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)根據(jù)其不同的應用場臺，對數(shù)據(jù)請求的需求不同作為統(tǒng)一的云數(shù)據(jù)平臺，必須滿足如下要求：其一是大規(guī)模數(shù)據(jù)處理；其二是服務的可持續(xù)性、可擴展性以及可靠性；其三是數(shù)據(jù)完整性和隱私安全；其四是分布式和模塊化設計，提供標準的數(shù)據(jù)接口和應用代理，以滿足安全可控、可配置、易擴展，具備較好的兼容性持續(xù)升級能力，能適應用戶規(guī)模增長、新應用配置和新業(yè)務需求的不斷變化。

因此，系統(tǒng)建設的云計算數(shù)據(jù)平臺，其目的是負責各種異構數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接收、融合、存儲和處理，通過開放的標準數(shù)據(jù)接口、業(yè)務接口和應用代理，與其它系統(tǒng)、軟件或定制代碼互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)按需使用和計費。同時通過虛擬化、任務調(diào)度、數(shù)據(jù)調(diào)度和備份等方式，確保數(shù)據(jù)的安全和服務的高可用性。