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摘要

传统环境监测方式存在设备分散、数据采集周期较长、异常信息反馈不及时、人工维护成本较高等问题，难以满足多区域环境状态连续感知与精细化管理需求。物联网技术能够将传感器、通信网络、数据平台和管理终端连接起来，形成环境信息自动采集、远程传输、智能分析与分级预警体系。本文围绕物联网环境监测系统的总体架构、硬件配置、通信机制、数据处理和功能实现展开研究，构建由感知层、网络层、平台层与应用层组成的系统架构。系统利用温湿度、二氧化碳、PM2.5、光照强度等传感器采集环境数据，通过NB-IoT、4G或无线局域网传输至云端平台，结合阈值判断、趋势分析和异常识别方法完成数据处理。研究表明，该系统能够提升环境信息采集的连续性、异常预警的及时性与设备管理的规范性，为校园、园区、农业生产区和公共建筑等场景的环境管理提供技术支持。

关键词：物联网，环境监测，传感器，数据采集，智能预警

引言

环境质量直接影响生产安全、人员健康与资源利用效率。传统环境监测多采用人工巡检、定时记录和单机检测方式，监测数据容易受到时间间隔、人员操作及设备位置限制，难以准确反映环境参数的动态变化。温湿度、空气颗粒物、有害气体和光照强度等指标具有较强的实时波动特征，局部异常若未被及时发现，可能引发设备故障、人员不适或环境污染。物联网融合传感器技术、无线通信技术、云计算和智能分析技术，可将分布在不同位置的监测节点接入统一平台，实现环境状态的全天候感知与集中管理。基于物联网设计环境监测系统，有助于提高监测覆盖范围、数据处理效率和风险预警能力，也能为环境治理决策提供连续、可靠的数据依据。

一、基于物联网的环境监测系统总体设计

1.系统需求与功能定位

环境监测系统需要具备多参数采集、数据传输、实时显示、异常预警、历史查询和设备管理等功能。监测终端按照设定周期采集温度、湿度、PM2.5、二氧化碳、光照强度和噪声数据，并对原始数据进行格式转换、误差修正与有效性检验。网络通信模块负责将监测信息发送至数据平台，管理人员可在计算机端或管理终端查看各监测点的实时状态。某公共建筑可在教室、走廊、设备间和仓储区分别部署节点，系统每分钟采集一次数据。当二氧化碳浓度或PM2.5数值超过设定阈值时，平台立即标记异常点位并生成告警信息。系统需求设计还应考虑节点扩展、断网缓存、低功耗运行、数据安全和设备故障识别，使系统能够适应监测对象增加及运行环境变化。

2.系统分层架构设计

系统采用感知层、网络层、平台层和应用层四层架构。感知层由环境传感器、微控制器和定位模块构成，负责采集不同区域的环境数据。网络层采用NB-IoT、4G、无线局域网或以太网完成数据传输，可根据场景距离、网络条件和功耗要求选择通信方式。平台层承担数据接收、清洗、存储、分析和预警任务，并通过数据库建立监测点、设备编号、采集时间与环境参数之间的关联关系。应用层提供实时监控、曲线展示、报表生成、告警处置和设备维护等功能。室外分散监测点可采用NB-IoT通信，室内固定节点可接入无线局域网，数据通过MQTT协议发送至平台。分层架构能够降低各模块之间的耦合程度，便于传感器更换、节点扩容与功能升级。

3.系统硬件与通信模块配置

监测节点以微控制器为核心，连接温湿度、颗粒物、二氧化碳、光照和噪声传感器。温湿度传感器用于获取空气温度与相对湿度，激光颗粒物传感器用于检测PM2.5和PM10浓度，红外二氧化碳传感器用于判断通风状况，光敏传感器和声音传感器用于采集光照及噪声信息。节点配置电源管理、数据缓存和通信模块，可在网络中断时暂存采集数据，网络恢复后按照时间顺序补传。通信数据采用统一报文格式，内容包括设备编号、采集时间、参数类型、测量值、电量状态和信号强度。系统设置数据校验码与设备白名单，防止非法节点接入。户外节点可配置防水外壳与太阳能供电模块，室内节点采用低压电源供电，以保障设备长期稳定运行。

二、基于物联网的环境监测系统功能实现

1.环境数据采集与处理

环境数据采集程序按照预设周期启动传感器，读取各项参数并完成滤波处理。系统可采用滑动平均法削弱瞬时干扰，对连续异常值进行有效性判断，避免单次传感器波动引发误报。采集节点将处理后的数据封装成标准报文，通过通信模块发送至平台数据库。某仓储场景将温度上限设置为30℃、相对湿度上限设置为70%，节点连续三次检测到超限数据后生成异常标识。平台依据设备编号将数据写入对应监测点档案，并形成小时、日、周和月度变化曲线。缺失数据、重复数据与明显偏离合理范围的数据会被单独标记，管理人员可结合设备运行状态判断异常来源。该处理机制能够提高监测数据的完整性与可信度。

2.实时展示与分级预警

系统应用端以监测区域平面图、数据列表和趋势曲线展示环境状态，不同颜色对应正常、关注、警告和严重四类等级。预警规则由固定阈值、持续时间和变化速率共同构成。PM2.5浓度短时升高时，系统先生成关注提示；数值持续超过限值且呈上升趋势时，预警等级自动提高。二氧化碳浓度异常可关联通风设备运行信息，辅助管理人员判断异常是否由人员密集、通风不足或设备故障引起。平台保留告警时间、点位、参数、处置人员、处置措施和恢复时间，形成完整的闭环记录。管理终端可根据告警级别推送检查任务，值班人员完成现场核查后上传处理结果，使环境异常发现、任务分派、现场处置与结果复核形成统一流程。

结论

基于物联网的环境监测系统将传感器、无线通信、数据存储、智能分析与管理应用有机结合，形成了覆盖环境数据采集、网络传输、平台处理、异常预警和任务处置的完整技术体系。系统采用感知层、网络层、平台层与应用层架构，可对温湿度、PM2.5、二氧化碳、光照强度和噪声等参数进行连续监测，并利用NB-IoT、4G、无线局域网或以太网完成数据传输。滑动平均、阈值判断、变化趋势分析与连续异常识别能够减少瞬时波动造成的误报，分级告警和闭环处置记录能够提升环境风险响应效率。系统在公共建筑、农业生产区、工业园区、仓储空间和校园等场景中具有较强的适用性。

参考文献

[1] 刘云浩。物联网导论 [M]. 4 版。北京：科学出版社，2022.

[2] 蓝升传。基于 LoRa 和物联网技术的矿井环境监测系统设计 [J]. 黄金科学技术，2023, 31 (1): 144-152.

[3] 邓炳玥。基于 ZigBee 和 NB-IoT 的智慧农业环境监测系统设计 [J]. 农业工程技术，2023, 43 (5): 4-7.

[4] 杨昊. WebGIS 在农业环境物联网监测系统中的设计与实现 [J]. 农业工程学报，2016, 32 (4): 171-178.

苏轲

电子科技大学成都学院