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仿真生态环境智能监测系统的设计与实现

江苏警官学院 高浩炜 2019/6/6 15:56:21

   摘 要:随着物联网技术的发展,智能感知技术在生态环境监测领域将会有更广泛的应用。笔者利用传感器网络技术和Arduino硬件开发平台,尝试搭建了一个仿真生态环境监测系统,解决了传统有线传输的布局小、维护困难的问题,设计实现了仿真生态环境智能监测生态指标的实时采集和应用分析系统。
   关键词:Arduino平台;生态环境;智能监测;传感器
  
   近年来,随着现代社会工业文明进步和高度发展,人们面临的环境污染问题日益严峻,环境保护问题受到社会普遍关注。特别是物联网智能应用技术的迅猛发展,环境保护的措施和手段出现了许多新发展、新动态,如“智能环保”概念被越来越多的国家提出和试验等。移动终端、云存储和物联网等概念的小型化和轻量化,也为无线传感器网络在环境监控与检测等领域的应用提供了极大的便利,人们希望实时掌握自身生活环境状态信息成为一种可能[1]。因此,本文利用智能感知、网络传输和Arduino开发平台,在模拟仿真生态环境下,设计实现了一套基于智能采集和数据汇聚与分析的软硬件集成应用系统,探讨了如何利用现代新兴科技进行生态环境的智能感知、环境监测和大数据分析等。
   一、物联网与生态环境监测
   当下,我国生态环境智能监测应用要求主要体现在内容和运行方式上。从内容上看,要求构建“完备设置和自动实时预警”的环境监测体系,实现环境污染源监测的全面覆盖。从运行方式上看,要求构建“全国联网、依法追责”大数据应用平台,实现生态数据监控数据共享和信息的统一发布;建立评估问责制,确保生态监测数据的真实性和可靠性。生态环境监测的关键是制定和完善的相关法律、法规和标准。根据工作需要规范的大气、地表水、地下水、土壤、海洋、生态、污染源、噪声、振动和辐射的技术标准,及时修订和完善环境监测评价体系,加强生态监测数据之间的可比性,确保污染物排放源和各监测机构实施统一的技术标准[2]。
   1.物联网。物联网是以互联网为基础,通过智能感知识别和网络传输等技术将现实中的海量终端联系起来,形成的一种新型的、泛在的通信网络。物联网主要分为感知层、传输层、应用层等三个层次,主要利用各类机械、电子、光学传感器,自动采集声音、视频、压力、温度、湿度、有害气体、空气粉尘等信息,将感知得到的数据和网络传输设备、信息处理设备等组合起来,通过智能处理为人类提供服务。
   2.环境监测。不言而喻,实时监测生态环境是解决环境污染问题的根本。生态环境监测系统的智能化和实时化是生态文明系统的重要组成部分。充分利用现代新兴技术可以不断提高环境监测的数据质量和利用效率, 只有正确合理的感知数据,才能为上层行业应用提供准确的基础数据,为智能行为提供数据保证,进而提高生态文明建设的科学决策水平[3]。
   按照上述设想,笔者利用鱼缸、土壤、水、金鱼等,模拟构建了一个仿真生态环境监测系统,同时利用多种类型的传感器二十四小时测量环境变化的实时数据,再通过有线或无线传输网络将数据发送到APP应用终端,对数据进行智能分析。该仿真监测系统实现了温度、湿度、PH值和二氧化碳浓度等生态数据的智能采集;通过对实施监测数据的智能分析,实时监测生态环境质量和变化趋势,可广泛用于生态环境的污染指标预警、空气质量监测、水质安全保护、雨水酸度检测等方面[4]。
   二、仿真生态环境监测系统构建
   (一)硬件系统
   1.传感网络(WSN)。生态区域中设置多个固定或可移动的传感器节点,聚合节点之间实现无线通信形成一个多跳网络系统。传感器网络节点包括:各种传感器节点、路由节点和汇聚节点,传感器节点充当路由节点,并将汇聚节点连接到监控计算机。在硬件结构中,减少了传感器模块并添加了串行通信模块[5],其作用是协调生态区域中被监视对象的信息感测、获取、处理和传输,并将数据传输到网络的数据中心[6]。传感器网络的显著特点是自组织网络拓扑、电池功率有限、部署速度快、容错性强、隐蔽性强等。传感器网络由大量小型、低成本的通信设备组成,可以收集和处理相关的数据传感器节点。
   2.路由协议。与数据采集和数据计算相比,节点在数据传输中消耗的能量最多。数据传输涉及网络路由协议。传统的Ad Hoc网络路由协议设计通常提供了最高质量的服务(QoS),然后考虑能源效率。因此,传感器网络的特性决定高能效路由协议不能采用传统路由算法。
   3.数据融合。所谓数据融合,指将多传感器信息源的数据和信息加以联合、相关及组合,获得更为准确的性质、程度、位置和身份等比值的估计,完成生态环境的重要性和威胁性实时、完整评估的处理过程[9]。从物联网的感知层到应用层,各种信息的种类和数量都成倍增加,需要分析的数据量也成级数增加,同时,还涉及各种异构网络或多个(未完,下一页

  
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