摘要：當前，環(huán)境污染、氣候變化對環(huán)境監(jiān)測提出了更高要求。鑒于此，基于AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）平臺，整合環(huán)境科學、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析與算法等多領(lǐng)域，開發(fā)智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以提升環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量、效率及精確度，共同解決環(huán)境監(jiān)測面臨的技術(shù)難題。通過調(diào)研和分析國內(nèi)外學術(shù)論文、專利和成功案例，團隊汲取、借鑒先進環(huán)境監(jiān)測設(shè)計理念、技術(shù)方案、應(yīng)用效果，用于項目的系統(tǒng)設(shè)計、傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、數(shù)據(jù)處理和智能算法等方面，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，增強競爭優(yōu)勢。最后，以人工智能與大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)學院為建設(shè)平臺，通過學術(shù)研討、行業(yè)展覽等活動推廣研究成果，挖掘應(yīng)用潛力，實現(xiàn)社會效益最大化。

關(guān)鍵詞：AIoT平臺；智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；智能傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP273+.5" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0034-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.008

0" " 引言

當前，廣東省高校面臨著環(huán)境管理的需求和挑戰(zhàn)。首先，高校內(nèi)部環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、CO2濃度等）的監(jiān)測和控制對于保障師生的學習、工作和生活環(huán)境至關(guān)重要。其次，高校作為知識創(chuàng)造和傳播的場所，應(yīng)當注重環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展的責任，通過科學管理和精細控制，降低能源消耗、減少環(huán)境污染，實現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)的校園發(fā)展。

本項目旨在基于AIoT（人工智能物聯(lián)網(wǎng)）平臺開發(fā)一種智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足廣東省高校綠色、低碳、可持續(xù)的校園發(fā)展需求。該系統(tǒng)將通過實時數(shù)據(jù)采集、分析和處理，為用戶提供準確、及時的環(huán)境信息，并支持智能控制和決策，以提高環(huán)境質(zhì)量和人們的生活質(zhì)量。系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：一是高度自動化，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對多個環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，避免了傳統(tǒng)手動采集數(shù)據(jù)的準確性和時效性差的弊端；二是智能化分析和控制，通過引入人工智能算法，對大量采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境異常預警、智能調(diào)節(jié)和決策支持；三是系統(tǒng)擴展性強，可以根據(jù)高校的特殊需求，靈活添加和調(diào)整傳感器節(jié)點，滿足不同環(huán)境監(jiān)測場景的要求。

1" " 主要研究內(nèi)容

1）傳感器技術(shù)研究與開發(fā)：調(diào)研并選擇適用于高校環(huán)境監(jiān)測的傳感器技術(shù)，包括溫濕度傳感器、氣體傳感器、光照傳感器、噪聲傳感器等，并進行性能測試和驗證。

2）數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)研究：研究與開發(fā)高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，確保環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。探索無線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的快速采集、傳輸和存儲[1]。

3）數(shù)據(jù)處理與智能分析算法研究：基于大數(shù)據(jù)處理和人工智能技術(shù)，研究與開發(fā)智能化的數(shù)據(jù)處理和分析算法，包括數(shù)據(jù)清洗與預處理、特征提取與選擇、模式識別與異常檢測等方面的研究，以實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析和決策支持。

4）系統(tǒng)集成與平臺開發(fā)：研究與開發(fā)基于AIoT平臺的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)存儲與管理、用戶界面設(shè)計、遠程監(jiān)控與控制、數(shù)據(jù)分析與預測、報警與通知、數(shù)據(jù)共享與協(xié)同、可視化數(shù)據(jù)展示、智能決策支持、數(shù)據(jù)導出與集成等功能，實現(xiàn)系統(tǒng)各組成部分的集成與協(xié)同工作，提供友好易用的系統(tǒng)平臺。

5）性能評估與優(yōu)化：對開發(fā)的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行性能評估與優(yōu)化，包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、實時性、可擴展性、數(shù)據(jù)處理效率、用戶界面響應(yīng)時間、報警通知及時性、數(shù)據(jù)安全和隱私保護、可用性等方面的評估。通過測試和實地應(yīng)用驗證，進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地運行在高校環(huán)境中。

2" " 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

1）多樣化傳感器數(shù)據(jù)融合：通過創(chuàng)新的數(shù)據(jù)融合算法，實現(xiàn)多樣化傳感器數(shù)據(jù)的融合與分析。傳感器數(shù)據(jù)具有不同的數(shù)據(jù)類型、采樣頻率和精度，筆者將開發(fā)先進的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以綜合利用各種傳感器的數(shù)據(jù)，提高環(huán)境監(jiān)測的準確性和全面性，這將為智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供更全面、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）智能分析與決策支持：通過結(jié)合人工智能技術(shù)，實現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)分析和決策支持功能。筆者將利用深度學習、機器學習等算法，開發(fā)智能化的模式識別和異常檢測方法，實現(xiàn)對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析。同時，設(shè)計智能化的決策支持系統(tǒng)，為高校環(huán)境管理者提供準確、實時的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和決策建議，幫助他們做出科學、有效的環(huán)境管理決策。

3）系統(tǒng)可擴展性與適應(yīng)性：研究創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)方案，以實現(xiàn)智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的可擴展性和適應(yīng)性。系統(tǒng)采用靈活的組件和模塊化設(shè)計，以適應(yīng)不同高校的環(huán)境監(jiān)測需求。筆者還將設(shè)計可擴展的數(shù)據(jù)存儲和管理方案，以應(yīng)對大量環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和存儲需求，這將為高校提供一個可持續(xù)發(fā)展的智能環(huán)境監(jiān)測平臺。

3" " 實驗設(shè)計

3.1" " 需求分析

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)，通過二氧化硫傳感器、二氧化氮傳感器、臭氧傳感器、濁度傳感器、氨氮傳感器、水質(zhì)電導率、pH值等設(shè)備，實現(xiàn)對學校周邊環(huán)境的實時監(jiān)測，及時確定污染源頭，有效改善校園環(huán)境，為進一步擴展環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用能力提供基礎(chǔ)。具體需求為：1）掌握校園各區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量變化、分析變化原因、追溯污染源頭、預測發(fā)展趨勢，為校園環(huán)保安全管理提供決策依據(jù)；2）發(fā)現(xiàn)污染現(xiàn)象，及時啟動應(yīng)急預警預案，將污染率降到最低，有效防范校園各類環(huán)境污染風險；3）根據(jù)特征污染物的監(jiān)測數(shù)據(jù)追蹤溯源。

3.2" " IoT平臺選擇

為滿足校園環(huán)境監(jiān)測的智能化需求，采用成熟物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行改造，不涉及大量的開發(fā)工作。IoT平臺是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行智能化改造，首先必須選擇一個物聯(lián)網(wǎng)平臺。在這個案例中，采用開源的ThingsBoard作為項目的IoT平臺，ThingsBoard按照單體方式部署?；赥hingsBoard開源系統(tǒng)進行二次開發(fā)，以滿足環(huán)境監(jiān)測的需求，基于大數(shù)據(jù)與人工智能算法，接入Http、MQTT、CoAP、OPC-UA、Modbus、BLE、CAN等協(xié)議[2]，滿足多樣化傳感器數(shù)據(jù)的融合與分析需求，實現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)分析和決策支持，保證數(shù)據(jù)的實時性和準確性。

3.3" " 傳感器數(shù)據(jù)融合與分析

開發(fā)數(shù)據(jù)融合算法，實現(xiàn)多樣化傳感器數(shù)據(jù)的融合與分析，提高環(huán)境監(jiān)測的準確性和全面性。傳感器具體的數(shù)據(jù)整合步驟如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)感知：在現(xiàn)場安裝各類智能監(jiān)測感知設(shè)備，如攝像頭、北斗/GPS定位設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、時序設(shè)備、各類傳感器等，對現(xiàn)場進行全面智能感知。將感知的數(shù)據(jù)通過MQTT、CoAP、HTTP、Socket等協(xié)議進行傳輸。

2）數(shù)據(jù)采集：現(xiàn)場的感知設(shè)備數(shù)據(jù)種類繁多，根據(jù)不同業(yè)務(wù)特點建立采樣模型和過濾算法，對數(shù)據(jù)進行預處理，提升數(shù)據(jù)的處理效率。

3）數(shù)據(jù)治理：采用先進的大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，進行實時/離線計算，對現(xiàn)場無界數(shù)據(jù)流進行處理，以保證數(shù)據(jù)的低延遲、高吞吐、一致性，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)倉庫中，建立各類主題數(shù)據(jù)庫。

4）數(shù)據(jù)分析：進行數(shù)據(jù)挖掘、分析及可視化，包括安全管控、實時預警/告警、趨勢分析、歷史數(shù)據(jù)查看、決策分析等[3]。

3.4" " 智能分析與決策支持

利用人工智能技術(shù)，開發(fā)智能化的數(shù)據(jù)分析和決策支持功能，提供決策支持和建議，如環(huán)境調(diào)控方案、能源優(yōu)化策略等，實現(xiàn)環(huán)境異常檢測、趨勢預測和智能化控制，幫助用戶做出合理的決策和調(diào)整，如圖2所示。

3.5" " 系統(tǒng)集成與優(yōu)化

3.5.1" " 組件集成與數(shù)據(jù)流優(yōu)化

將各個模塊（環(huán)境傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、用戶界面等）進行緊密集成，確保數(shù)據(jù)的無縫流動和交互。優(yōu)化數(shù)據(jù)流程，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高系統(tǒng)的實時性和響應(yīng)速度。設(shè)計靈活的接口和數(shù)據(jù)格式，以便與不同硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)進行無縫對接和集成。

3.5.2" " 系統(tǒng)性能優(yōu)化

進行系統(tǒng)性能評估，確定系統(tǒng)的瓶頸和優(yōu)化方向。優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲和處理方式，采用高效的數(shù)據(jù)庫和分布式計算技術(shù)，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力和存儲容量。針對高并發(fā)訪問需求，采用負載均衡和緩存技術(shù)，提升系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。采用容錯設(shè)計和備份策略，確保系統(tǒng)的高可用性和數(shù)據(jù)的安全性。

3.5.3" " 實驗驗證與性能優(yōu)化

通過對真實校園環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和測試，驗證系統(tǒng)的準確性和可靠性。根據(jù)實驗結(jié)果，進行性能優(yōu)化和調(diào)整，改進算法和模型，提高數(shù)據(jù)分析和決策支持的準確度以及效率。迭代優(yōu)化，根據(jù)用戶反饋和需求變化，持續(xù)改進系統(tǒng)性能和功能，保持系統(tǒng)的競爭力和適應(yīng)性。

系統(tǒng)集成與優(yōu)化子看板如圖3所示。

3.6" " 系統(tǒng)部署與應(yīng)用

在合作高校進行系統(tǒng)部署和應(yīng)用，并進行實際使用效果評估，如圖4所示。本階段旨在將部署好的校園環(huán)境系統(tǒng)投入使用，確保數(shù)據(jù)的準確性和實時性，并與相關(guān)部門和人員進行合作，推廣系統(tǒng)的應(yīng)用。此外，定期對系統(tǒng)進行效果評估，收集用戶反饋和需求，根據(jù)評估結(jié)果和反饋意見，進行系統(tǒng)的優(yōu)化和改進，改善系統(tǒng)的性能和用戶體驗。

4" " 結(jié)果分析

1）資源優(yōu)化利用：系統(tǒng)的智能化和自動化特性能夠幫助高校實現(xiàn)資源的優(yōu)化利用，如能源、水資源等。通過及時監(jiān)測和控制，可以減少不必要的能源消耗和資源浪費，從而降低運營成本。

2）故障預警與維護成本：系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境設(shè)備的運行狀態(tài)，并通過智能分析算法進行故障預警，幫助高校及時采取維護和修復措施，降低設(shè)備維護成本，避免損失。

3）效益提升：系統(tǒng)智能化和自動化水平的提升，幫助改善了生活環(huán)境。這將進一步提升環(huán)境管理的效益，提升校園環(huán)境品質(zhì)，改善師生的學習和工作體驗。

5" " 結(jié)束語

AIoT平臺將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能算法相結(jié)合，實現(xiàn)了智能化環(huán)境監(jiān)測和管理。它通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集環(huán)境參數(shù)，并利用人工智能算法進行數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)對環(huán)境的準確監(jiān)測、智能控制和決策支持。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅能夠高效地采集、傳輸和處理環(huán)境數(shù)據(jù)，而且在智能算法的支持下具備更高的監(jiān)測準確度和實時性。實際應(yīng)用展示了系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的可行性，并證明了其在提高環(huán)境監(jiān)測效能方面的潛在作用。在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的背景下，本研究為智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供了有益的參考，有利于推動環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進步。

[參考文獻]

[1] 高海超，喬雨，邵婷婷，等.智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2023，42（3）：20-22.

[2] 楊璐.大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測標準化中的應(yīng)用[J].大眾標準化，2023（14）：169-171.

[3] 瞿鑫.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測研究[J].中國高新科技，2023（4）：70-72.

收稿日期：2024-01-12

作者簡介：蔡柳萍（1981—），女，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士研究生，副教授，研究方向：算法研究、軟件開發(fā)等。

課題項目：2023年度廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項目“基于AIoT平臺的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用”（2023KTSCX305）