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仿真生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
江蘇警官學院 高浩煒 2019/6/6 15:56:21
摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能感知技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)懈鼜V泛的應用。筆者利用傳感器網(wǎng)絡技術(shù)和Arduino硬件開發(fā)平臺，嘗試搭建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)牟季中�、維護困難的問題，設計實現(xiàn)了仿真生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)測生態(tài)指標的實時采集和應用分析系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：Arduino平臺；生態(tài)環(huán)境；智能監(jiān)測；傳感器
近年來，隨著現(xiàn)代社會工業(yè)文明進步和高度發(fā)展，人們面臨的環(huán)境污染問題日益嚴峻，環(huán)境保護問題受到社會普遍關(guān)注。特別是物聯(lián)網(wǎng)智能應用技術(shù)的迅猛發(fā)展，環(huán)境保護的措施和手段出現(xiàn)了許多新發(fā)展、新動態(tài)，如“智能環(huán)�！备拍畋辉絹碓蕉嗟膰姨岢龊驮囼灥取Ｒ苿咏K端、云存儲和物聯(lián)網(wǎng)等概念的小型化和輕量化，也為無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)控與檢測等領(lǐng)域的應用提供了極大的便利，人們希望實時掌握自身生活環(huán)境狀態(tài)信息成為一種可能[1]。因此，本文利用智能感知、網(wǎng)絡傳輸和Arduino開發(fā)平臺，在模擬仿真生態(tài)環(huán)境下，設計實現(xiàn)了一套基于智能采集和數(shù)據(jù)匯聚與分析的軟硬件集成應用系統(tǒng)，探討了如何利用現(xiàn)代新興科技進行生態(tài)環(huán)境的智能感知、環(huán)境監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析等。
一、物聯(lián)網(wǎng)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測
當下，我國生態(tài)環(huán)境智能監(jiān)測應用要求主要體現(xiàn)在內(nèi)容和運行方式上。從內(nèi)容上看，要求構(gòu)建“完備設置和自動實時預警”的環(huán)境監(jiān)測體系,實現(xiàn)環(huán)境污染源監(jiān)測的全面覆蓋。從運行方式上看，要求構(gòu)建“全國聯(lián)網(wǎng)、依法追責”大數(shù)據(jù)應用平臺,實現(xiàn)生態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)共享和信息的統(tǒng)一發(fā)布；建立評估問責制，確保生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵是制定和完善的相關(guān)法律、法規(guī)和標準。根據(jù)工作需要規(guī)范的大氣、地表水、地下水、土壤、海洋、生態(tài)、污染源、噪聲、振動和輻射的技術(shù)標準，及時修訂和完善環(huán)境監(jiān)測評價體系，加強生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的可比性，確保污染物排放源和各監(jiān)測機構(gòu)實施統(tǒng)一的技術(shù)標準[2]。
1.物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，通過智能感知識別和網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g(shù)將現(xiàn)實中的海量終端聯(lián)系起來，形成的一種新型的、泛在的通信網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)主要分為感知層、傳輸層、應用層等三個層次，主要利用各類機械、電子、光學傳感器，自動采集聲音、視頻、壓力、溫度、濕度、有害氣體、空氣粉塵等信息，將感知得到的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡傳輸設備、信息處理設備等組合起來，通過智能處理為人類提供服務。
2.環(huán)境監(jiān)測。不言而喻，實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境是解決環(huán)境污染問題的根本。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的智能化和實時化是生態(tài)文明系統(tǒng)的重要組成部分。充分利用現(xiàn)代新興技術(shù)可以不斷提高環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)質(zhì)量和利用效率, 只有正確合理的感知數(shù)據(jù)，才能為上層行業(yè)應用提供準確的基礎數(shù)據(jù)，為智能行為提供數(shù)據(jù)保證，進而提高生態(tài)文明建設的科學決策水平[3]。
按照上述設想，筆者利用魚缸、土壤、水、金魚等，模擬構(gòu)建了一個仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，同時利用多種類型的傳感器二十四小時測量環(huán)境變化的實時數(shù)據(jù)，再通過有線或無線傳輸網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到APP應用終端，對數(shù)據(jù)進行智能分析。該仿真監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度、濕度、PH值和二氧化碳濃度等生態(tài)數(shù)據(jù)的智能采集；通過對實施監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析,實時監(jiān)測生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和變化趨勢，可廣泛用于生態(tài)環(huán)境的污染指標預警、空氣質(zhì)量監(jiān)測、水質(zhì)安全保護、雨水酸度檢測等方面[4]。
二、仿真生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建
（一）硬件系統(tǒng)
1.傳感網(wǎng)絡（WSN）。生態(tài)區(qū)域中設置多個固定或可移動的傳感器節(jié)點，聚合節(jié)點之間實現(xiàn)無線通信形成一個多跳網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點包括：各種傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點，傳感器節(jié)點充當路由節(jié)點，并將匯聚節(jié)點連接到監(jiān)控計算機。在硬件結(jié)構(gòu)中，減少了傳感器模塊并添加了串行通信模塊[5]，其作用是協(xié)調(diào)生態(tài)區(qū)域中被監(jiān)視對象的信息感測、獲取、處理和傳輸，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡的數(shù)據(jù)中心[6]。傳感器網(wǎng)絡的顯著特點是自組織網(wǎng)絡拓撲、電池功率有限、部署速度快、容錯性強、隱蔽性強等。傳感器網(wǎng)絡由大量小型、低成本的通信設備組成，可以收集和處理相關(guān)的數(shù)據(jù)傳感器節(jié)點。
2.路由協(xié)議。與數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計算相比,節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸中消耗的能量最多。數(shù)據(jù)傳輸涉及網(wǎng)絡路由協(xié)議。傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議設計通常提供了最高質(zhì)量的服務(QoS),然后考慮能源效率。因此，傳感器網(wǎng)絡的特性決定高能效路由協(xié)議不能采用傳統(tǒng)路由算法。
3.數(shù)據(jù)融合。所謂數(shù)據(jù)融合，指將多傳感器信息源的數(shù)據(jù)和信息加以聯(lián)合、相關(guān)及組合，獲得更為準確的性質(zhì)、程度、位置和身份等比值的估計,完成生態(tài)環(huán)境的重要性和威脅性實時、完整評估的處理過程[9]。從物聯(lián)網(wǎng)的感知層到應用層，各種信息的種類和數(shù)量都成倍增加，需要分析的數(shù)據(jù)量也成級數(shù)增加，同時，還涉及各種異構(gòu)網(wǎng)絡或多個（未完，下一頁）
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