文/吴康 艾伦安控创新研究中心

　　为了满足社会可持续发展的要求，守住好绿水青山保持生态文明，环境保护受到越来越多的重视。而以现代网络与测控技术为基础的环境监控可对各种环境参数进行测量与控制。尤其随着物联网技术的新发展，其环境监控技术已从数据与影音的环境监控逐一发展到单一整合平台整合的新技术。据此本文将对多物理量环境监测包、整合数据与影音智能应用的单一平台新技术及工业废气油污智能化环境监测系统等多种新技术的应用发展作分析研讨。

　　基于嵌入式硬件平台的多物理量环境监测包的特征与应用

　　面临的挑战

　　环境监测要求系统能够在户外较恶劣环境下监测多种环境参量，包括气象、振动、噪声、电磁场、图像等。主要应用领域包括人居环境监测、结构健康监测以及节能减排项目监测，需采用分布式结构，具体见图1所示的环境监测包结构示意图。

　　图1 环境监测包结构示意图

　　系统结构及主要特点

　　图1所示的环境监测包是基于嵌入式硬件平台(如CompactRIO型-cRIO)和图形化设计平台(如LabVIWE)等开发而成。由于其 CompactRIO是一种小巧而坚固的工业化控制与采集系统，它包含一个实时处理器与可重新配置的FPGA芯片，适用于可靠的独立嵌入式或分布式应用系统，又包含热插拔工业I/O模块，内置可与传感器/调节器直接连接的信号调理。故作为控制核心它是一良为好的选择，如NI CompactRIO为一典例。

　　据此，将各种环境参量通过相应的传感器转化为电信号，电信号通过系列模块输入到嵌入式硬件平台(CompactRIO)中，以对采集到的原始信号进行处理，并将处理后的数据通过路由器发送到监控端以及网络服务器。监控端通过TCP/IP协议与CompactRIO(通信，实现数据的实时显示以及控制命令的发送。而浏览端用户通过网页浏览器访问服务器中的监测数据，实现数据的网络共享和历史数据分析。

　　该其环境监测包的主要特点有：自定义的FPGA模块和丰富的I/O模块，能够与几乎所有的传感器进行方便的连接;模块化的软件结构，能够轻松地实现系统的维护与升级;采用WiFi和3G技术，实现监测数据的无线传输，有利于分布式监测和数据管理。

　　数据采集和分析

　　它是系统的核心部分，采用cRIO和WSN平台来实现。cRIO包括控制器(如NIcRl0-9014)如、底板(如NI cRl0-9113)和两块模拟输入Nl 9205，完成64通道，采样率1KS/s的数据采集和分析。

　　数据传输

　　作为嵌入式处理器，cRIO不仅拥有高处理性能，还支持各种传输方式。该系统中cRIO借助路由器的无线桥接功能.以Wi引方式“无缝”接入现场局域网中，把监测结果发送至信息管理系统的数据服务器，供显示和记录。

　　系统软件

　　定义了一个标准化的软件框架，以动态调用的方式并行实现了数据采集和分析、数据上传和命令响应、数据流盘，调试接口等诸多功能，适用于所有的cRlO平台。图2为cRIO数据采集软件结构示意图。

　　图2为cRIO数据采集软件结构示意图

　　系统指标

　　监测指标(标配，可扩展)：温度——测量范围为-5~55%;湿度——测量范围为0~100%;振动——测量范围为±250g，频率范围为0.3~10KHz，灵敏度为20mV/g，最小分辨率为0.0005g;声音——频率范围为20~20KHz，动态范围为127dB，灵敏度为50mV/Pa;电磁波--频率范围为10-20KHz。

　　系统指标大多受限于选配的传感器，为了降低系统门槛采用了较低成本的传感器，对于大多数验证和科研可以适用，如果用户须要更高精度的系统。

　　环境监测包应用

　　基于嵌入式硬件平台平台开发的环境监测包能够监测多种环境参量，系统具有很高可靠性和扩展性。如采用NI的嵌入式硬件平台CompactRIO进行系统开发，能够缩短开发周期，提高系统可靠性，使得用户能够把精力放在数据的分析处理上。具体在环境监测应用如下：监测项目有人居环境监测、结构健康监测及节能减排监测。而应用领域包括气象——风向、风速。温湿度、气压、雨量等气象项目;高低频振动(结构、地震);环境噪声、低频电磁场。

　　新世代物联网环境设备监控技术与应用

　　创新与设计思想

　　新理念

　　以往环境设备监控应用多采数据与影音各自独立的繁复监控作业模式，目前新趋势则是走向以单一整合平台让用户可以更便捷的方式来观测或监控环境变化并控管各种设备，再加上以物联网广泛串连后的监控也就能更有效提升管理效率。由此它是整合数据与影音智能应用朝单一平台发展的新技术。

　　设计思想
        改变以往水利监控中心以往总是要定期派遣巡检人员亲自到各个泵闸监控子站检查与测试各种设备装置的传统方法，现在只要在总站内的电脑前轻轻一按启动/停止、上升/下降等按键就能轻轻松松遥控远端设备的运转，再透过遍及区内的十多个子站的数位摄像头拍下现场环境影像后即时传回监控中心，便可以随时掌握现场状况。也就是说通过电脑屏幕上就监控到最新的自动化环境与设备监控系统的运行状况。

　　此系统还设计了提供了3D动画，以拟真的方式把街道、河川等地理位置正确显示在屏幕上，只要移动画面上的图像游标，就能立即移至所要监看区域的闸门、水泵、水位等情形，犹如亲临现场的真实感更是令人激赏。面对时序即将进入多雨季节，这样的系统无疑对需要进行大量水雨监控管理的工作人员来说，实在是一套协助做好防汛抗洪工作的好帮手。

　　基于WebAccess技术的单一平台的应用

　　多年来，因网络不够发达与技术不甚完备的限制下，环境设备监控EFMS(Environmental Facility Monitoring System)应用一直只能采用数据监控与影音监视各自独立运作，它是一种无法进行全面连网的局部监控并且也是较为繁复的作业模式。如今在物联网的协助下，广域的环境设备监控得以透过物联网来进行大量串联，构建出新型基于WebAccess技术的单一平台，即采用一套同时能整合数据与影音监控的系统平台，以便让用户可以更便捷的方式来观测环境的变化，并对相关设施进行更完善且有效率的管理，大大因而提升了EFMS的管理成效。

　　那末何谓WebAccess软件技术?WebAccess软件是一个基于Web架构的自动化组态软件，从工程项目、数据库设置、画面制作和软件管理都通过Internet或Intranet在异地使用标准的浏览器完成。可以帮企业实现自动化控制、远程控制和管控一体化。

　　由此可见，基于WebAccess技术的单一平台就能同时满足数据、监控与跨平台显示功能需求，而且还纳入了影像、语音等功能后，位在总部的管理单位也能在既有精确的数据资料，又有第一时间内的现场影像下，做出最适当的决策判断，真正发挥远端监管的功能。

　　基于WebAccess技术的单一平台优越性

　　它能使环境设备监控(EFMS)效能极大化并且适用于各行各业。目前，基于EFMS的应用概念，将底层的设备透过网路串连后，交由控制中心的管理层进行环境与设施的监控方式，已广泛运用在许多行业中，包括水坝河川、供水排水、油田锅炉、再生能源、工厂厂房、商办大楼、社区住宅、公共设施等领域，并且还可针对特定对象像是污染源或危险源、油气输送管、电信机房等进行警示监测管理。其优越性具体如下：

　　·环境监控系统控制中心(如以泵闸监控系统为例)可以透过系统提供的自动采集、泵闸控制、视频监视、资料交换、防汛决策、资讯发布等功能来同时管理多座乃至10多座泵闸监控站与三个水雨情站点。其中基于Web浏览器的用户端监控特色，能让工程人员不论是在何处都可藉由网络系统进行远端诊断与维护作业，而将视频嵌入到软体界面后，用户操作泵闸时就能以直观的方式看到泵组或者闸门的动作。此类系统拥有远端监控现场状况及维护功能，透过冗余通信的设计，更可以高度的可靠性与稳定性来确保提供正确的水质资料以保障民众的用水安全;

　　·另外，对于企业或政府单位相当重要的机房重地，也有可提供电器设备、空调与供水、门禁保全、消防设施、烟雾或漏水等多种监控功能的系统，透过整合数据与影像的远端监控，管理者可于单一画面上同时查看机房现场数据，以及即时数位影像，甚至可藉由语音功能与现场进行通话或吓阻企图强行进入的不法之徒，而WebAccess还可分区将无人机房、中小型机房全部汇整由大型机房或控制中心来统一监控管理，既节省轮流值班与巡回查看的人力，也以加快故障处理速度、避免重大事故发生的科学化管理方式来提高维护质量。

　　智能化环境监控系统解决工业废气油污

　　就是运用物联网技术构建一个完善的废气处理监控平台，并通过与环保部门的监控系统有机结合进行示范应用和推广。围绕该目标，本系统包含以下三个方面的设计方案。

　　前端具有信息感知的废气净化处理设备

　　废气净化工作运行：利用阴极在电场中发射出来的电子，以及由电子碰撞空气分子而产生的负离子来捕捉工业废气粒子，使废气粒子带电，再利用电场的作用，使带电废气粒子被阳极所吸附，以达到除废气的目的。其图3为废气净化工作运行架构框图。

　　图3为废气净化工作运行架构框图

　　运行基本架构

　　本高压静电废气净化器为窄间距双区式结构，双区式是指电离段与收集段，每个电离段由一系列钨钢线组成，并在—系列接地板中间通给高压直流电，大气中的微粒在通过电离器的强力静电场时被电离并带有正或负电荷。 ’

　　每个收集段由很多数量的平行板组成，通以高压直流电(极性与电离器—致，但电压减半)以形成电场，带电微粒被接地板吸引同时也受到带电板的驱赶，正因如此，当气流中含有带电微粒时，可以被高效去除。

　　收集组件在保证气流平稳分布的情况下，需保证低速通过收集段。空气流动由位于收集组件后的风机提供能量，推动空气以特定的速度流动。

　　理论上，分离带电粒子的电力与粒子带电量及收集电场强度之积成正比。此电力的大小，就比重为l的lum粒子而言，为重力的3000倍;就比重为l的10um粒子而言，为重力的300倍;这就是双区电场高效率的原因。

　　构建信息感知系统

　　首先根据废气净化处理的需求，针对废气的特点和应用需求，综合多种感知技术，可靠的获取原始废气处理数据。具体来说，在净化设备上进风和出风口安装如下传感器：进风传感器(用于采集风速);油污、油脂、烟碱器等传感器;净化设备电源监测、工作温度等多种监视设备工作状态传感器;净化设备巡检识别器及无线传感网(WSN)节点。

　　因此，本系统在前端搭建多信息感知系统，全面获取净化设备工作所需的各种原始数据，为构建统一的云计算平台及其应用提供数据基础，以形成废气净化设备数据采集的技术标准和实施规范。其中，重点解决废气粒子处理及净化设备信息采集的关键问题。

　　中段应用基于Zigbee—GPRS网关及多层次的数据融合传输系统

　　该多层次的数据融合传输系统由ZigBee网络技术控制与GPRS网关二大模块合成。值此需对两大模块应用特征作说明。

　　其一，ZigBee的应用领域广泛是环境监控及其无线通信的有效选择。因ZigBee能够在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，并且这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它的通信效率非常高。图4为无线感测网络的结构示意图。因而其技术与芯片可广泛应用于数据融合传输系统。

　　图4为无线感测网络结构示意图

　　其二、基于GPRS网络技术与之相应的嵌入式无线数据数传设备(DTU)的应用。因通过GPRS无线网络技术，可实现现场信号的实时无线传输，用户可通过因特网，访问GPRS服务器，随时查看现场数据。DTU是构建远程无线数据采集系统的重要设备，其主要功能就是为用户的串口设备与远程的电脑之间建立一个透明的数据通道。图5为用户设备与服务器数据传输过程。

　　图5为用户设备与服务器数据传输过程

　　GPRS DTU发出的数据包为标准的TCP/IP网络数据包，该数据包可以在移动网络和Intemet上传输，所以只要计算机能连接移动网络或Intemet就可以接收到DTU发出的数据包。

　　由上Zigbee—GPRS网关结合成中段多层次的数据融合传输系统的实现。针对前端系统获取的数据，根据不同的应用需求，采取不同的通信策略，实现向企业、云计算平台、环保局等信息系统的分层次传输。对需求的具体分析：对于获取的净化设备工作数据，现场显示，实时传输到企业单位的管理平台，并定期向后端云平台汇聚，如出现异常信息，需要现场报警、企业内部管理平台报警，并实时传输到后端云平台，快速推送给管理部门。因此，项目建设的数据融合传输系统，是通过Zigbee网络将前端数据采集系统获取的数据，经过Zibbee—GPRS网关，按层次向不同的人、系统和平台进行传输和汇聚，以满足后端数据处理和分析的要求。其中，需重点解决的是针对满足不同类型数据(实时、非实时)的推拉混合方式的数据传输机制及数据交换的标准和操作规范。

　　后台——云计算数据平台及WEB服务

　　系统的核心是采用云计算、中间件技术，搭建一个分布式、模块化数据中心平台，满足各种环保应用系统对异构数据的处理要求。

　　对需求的具体分析：云平台所存储和处理的数据，面向各种不同的物联网应用系统。这些系统根据其不同的应用场台，对数据请求的需求不同作为统一的云数据平台，必须满足如下要求：其一是大规模数据处理;其二是服务的可持续性、可扩展性以及可靠性;其三是数据完整性和隐私安全;其四是分布式和模块化设计，提供标准的数据接口和应用代理，以满足安全可控、可配置、易扩展，具备较好的兼容性持续升级能力，能适应用户规模增长、新应用配置和新业务需求的不断变化。
　　因此，系统建设的云计算数据平台，其目的是负责各种异构数据的统一接收、融合、存储和处理，通过开放的标准数据接口、业务接口和应用代理，与其它系统、软件或定制代码互联，实现数据按需使用和计费。同时通过虚拟化、任务调度、数据调度和备份等方式，确保数据的安全和服务的高可用性。