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基于无线传输网络的环境监测系统1第1章绪论1.1课题的意义随着我国经济的迅速发展，环境保护也日益受到国家和广大群众的关注，全国环保机构也在环境保护方面加大力度。近年来国民经济突飞猛进，工业企业不断增多，由此带来的问题就是污染源的增加和分布的复杂。在普遍环保意识薄弱和利益的驱使下，环保的监控管理工作日益复杂。传统的环境监测方法需要环保职能部门将大量的精力投入到环境现场的数据采作之中。但是随着污染源的增加，这种原有的监测方式，已经无法起到实时监染的目的。利用现代化最先进的电子技术，通讯技术，软件技术，建立一套环动监控系统，实现监控系统的自动化，从更高的层次上对工业污染进行有效的监测，体现了环保作为一个新兴行业的发展方向；有利于监控污染企业，增加企业的自律，促进他们履行自己的环境义务，帮助企业提高治理设施的水平；可以大大环境污染，提高企业经济效益的同时，也提高了环保投资的社会效益。1.2环境监测的历史、现状和发展20世纪60年代以来，环境问题逐渐从地区性问题演变成全球性问题。在解决环境问题的长期探索中，国际社会已经逐渐认识到，单纯依靠污染控制技术已经解决不了日趋复杂和广泛的环境问题，只有按照生态可持续性和经济可持续性要求，改革传统意义上单纯追求经济增长的战略和政策，对传统的经济增长模式，包括生产和消费模式做出重大的改革，加强对人口增长的控制，改变现有的技术和生产结构，减少自然资源的消耗，加强对人口增长的控制，改变现有的技术和生产结构，减少自然资源的消耗，人类才有可能实现自身的可持续发展。可见，可持续发展思想的提出源于人们对环境问题的逐步认识和热切的关注，而且“环境保护工作应试发展进程的一个整体组成部分，不能脱离这一进程来考虑（1992年联合国环发大会《里约宣言》）”。[1]作为环境保护的重要组成部分，环境监测曾被形象地比喻为环境保护的耳目、哨兵和基于无线传输网络的环境监测系统2尺子，是获取环境信息、认识环境变化、评价环境质量、监督排污状况的重要途径，是监督执行环境法规、环境标准的重要技术手段。因此，做好各项环境保护工作，特别是做好环境管理工作，必须充分重视、依靠和发挥环境监测的作用。随着工业、农业和乡镇企业的飞速发展，我国国民经济迅速增长。与此同时，以城市为中心的环境污染仍然很严重，并通过乡镇企业扩大到农村，严重影响我国的可持续发展进程。这就给环境保护和环境监测工作提出了新的问题和要求。作为一门技术性很强的实验科学，环境监测技术是环境监测的基础和基本依据。因此，需要不断加强环境监测技术的开发研究和更新。[2]目前，全国已形成了国家、省、市、县四级环境监测网络，共有专业、行业监测站4800多个，其中环保系统监测站2200多个，行业监测站2600多个，国控的空气质量监测网站103个，酸雨监测网站113个，水质监测网站135个。同时，还建有噪声监测网、辐射监测网和区域监测网等。到2005年，国控环境监测网络调整为：环境空气监测网站226个，测点数793个；酸雨监测网站239个，测点数472个；水质监测网站197个，监测断面1074个；生态监测网站15个。目前，我国已制定各类国家环境标准410项，覆盖了大气、水质、土壤、噪声、辐射、固体废物、农药等领域。已开展了环境质量监测，环境质量周报、日报、预报监测，污染源监测，污染事故应急监测，污染物总量控制监测，污染源解析监测，环境污染治理工程效果监测等，需监测的污染因子达百余种。环境监测及监测仪器发展趋势：1．以目前人工采样和实验室分析为主，向自动化、智能化和网络化为主的监测方向发展。2．由劳动密集型向技术密集型方向发展。3．由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展。4．由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展。5．环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化的方向发展。6．环境监测仪器将向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展。1.3国内现有环境监测面临的问题环境监测工作面临的主要问题有：1、污染信息传递得慢，不适应环境管理工作的需要。突发性环境污染事故，一旦发生，来势凶猛，在瞬时或时间内可能排放大量的污染物质，对环境造成严重的污染破坏，基于无线传输网络的环境监测系统3给国家和人民财产带来严重损失。只有在最短的时间内，通过检测部门拿出东西来，告诉上级主管部门现在有什么污染，应采取什么措施，对控制污染及救援善后提供技术支持和指导，才能赢得宝贵时间，将突发性环境污染事故造成的损失降到最低限度。但是，按照突发性环境污染事故应急监测工作性质的高标准要求，环境应急监测能力还存在着一些亟待认真研究，加以能解决的问题。比如：该出东西的时候出不来，该仲裁的时候拿不出数据来。缺乏重大环境污染事故应急监测技术和方法，无法提供监测突发性环境污染事故性质、污染影响和长期潜在的污染危害。因此，难以抵御环境污染事故风险和保障军队环境安全。2、环境监测技术资金投入与环境监测发展要求不相适应.用于环境监测技术的资金投入严重不足，特别是在仪器设备的计量检定、维修、更新、增量、试剂购买，人员进行学习、业务培训等方面投入都没有固定的投资主渠道以及倾斜的优惠政策，监测工作基本处于自我发展，自生自灭的状态，致使大部分环境监测工作无法开展。3、环境监测仪器配置不足与老化影响监测能力的拓展。监测仪器设备是环境监测的必备工具，从目前情况看，监测仪器的更新进步较快，部分监测仪器配置相对于新的国家标准显得不足，而且由于部分监测仪器的维修保养不够导致老化现象也比较严重，直接影响到环境监测工作的进一步拓展。4、环境监测法规规章与环境监测工作的规范化，标准化不相适应。监测立法是环境监测工作之本。目前，由于没有专门的环境监测法律法规，使得环境监测工作的性质，地位，作用等缺乏明确的法律依据，以及取证难，举证难，执行难的状况，使环境监测管理体制、监测人员管理模式以及监测经费保障方式等不统一和不到位，给环境监测的健康发展造成了很大的影响。1995年1月，国家环保局和总后勤部联合发布《关于军队监测系统承担军队单位污染源监测任务的通知》（[1995]环监032号），正式把军队单位污染源监测监督任务交给军队监测系统承担，从法规上确认了军队环境监测机构的工作范围，1996年7月，总后勤部和国防科工委联合颁布《军队环境保护计量监督管理办法》（[1996]营环字第17号），对军队单位污染源的范围，军队环境监测系统的组成、地位、资格、职责等均做了明确规定。2003年2月，总后勤部制定颁发了《军队环境监测管理规定》，对军队环境监测的基本原则，监测机构的设置和职责，监测机构的资质与监测人员的资格、监测技术与质量等做出了规定。国家和军队的这些规定，为军队环境监测网络的形成提供了法律基于无线传输网络的环境监测系统4依据。但在实际工作中，已颁布的相关法规文件对有些方面尚未涉及或未明确。比如：到目前为止，没有一份正式文件明确军队环境监测站的人员编制、经费来源，致使监测站工作名不正言不顺，监测经费无法保证。从1998年开始，中央军委决定不再从事生产经营，大量职工跟随军队企业移交到地方。军队要吃“皇粮”，而“皇粮”中并没有涵盖保留下来的军队职工，用工经费部分，职工基本保障资金缺口严重。各级领导为此大费脑筋，牵扯了大量的精力。因此，军队环境监测法规规章尚不健全，与军队环境监测工作的制度化、规范化、标准化管理还不相适应[3]。5、环境监测技术总体水平与监测工作的高标准要求及监测技术的快速发展不相适应。根据军队环境监测工作面临的形势和主要任务是：①由单一的实验室分析转向实验室分析与现场/应急快速分析、连续自动分析相结合；②由单纯的点式采样分析转向点式分析与线采样分析、面采样分析，空中遥感监测分析结合；③由繁重的手工分析转向手工分析与在线连续自动分析相结合；④监测信息的要求由单纯的浓度信息转向浓度与总量，生态风险，环境安全信息相结合。以上这些现代环境分析技术在军队环境监测工作中的应用还有很大差距。这不仅与当前军队环境监测分析技术的发展趋势不相匹配，而且使军队的环境监测工作必将长期处于被动地位。[14]1.4论文的主要研究内容本次设计的主要内容是基于WiFi技术的无线传输网络的环境监测系统，在结构上，它主要包括位于现场的环境监测仪器和数据采集仪，用于进行数据传输的无线传输系统以及对数据进行分析处理的上位机系统。论文具体从以下几个方面进行阐述：第一章：介绍了本项目的主要背景，分析并提出了本文所设计的环境监测系统的价值和意义。第二章：从整体概念上，介绍了整个系统的体系结构，从现场机系统、无线传输网络、上位机系统三个方面对系统进行了大致的分析和介绍。第三章：具体介绍了现场机系统的组成和工作方式。第四章：具体介绍了WiFi网络的结构原理。第五章：具体介绍了上位机系统的管理和控制方式。基于无线传输网络的环境监测系统5第2章系统的总体设计2.1系统介绍整个监测系统在结构上主要包括用于现场数据采集的现场机系统，包括环境监测仪器和数据采集仪器；用于进行数据传输的无线传输网络以及对系统进行控制、对数据进行分析处理的上位机系统。如图2.1所示：WiFi上位机系统现场机系统无线网络传输数据采集传输仪图2.1环境监测系统整体设计方案监测仪器监测仪器监测仪器……WiFi基于无线传输网络的环境监测系统62.1.1现场机系统一般来说，现场机系统有两种比较典型的组成形式：一种是由仪器单独联入传输网络，如图2.2所示。这就要求一台现场仪器本身具备了比较完善的网络传输终端和数据采集、预处理能力。它不仅能够做到数据采集的功能，同时还能够实现和上位机进行完整的数据通信。这就意味着对于监测仪器本身，其硬件和软件的技术要求就比较高，也就决定了它的使用范围比较狭窄，成本高，不具备通用性。第二种工作模式是通过数据采集仪将各个监测仪器通过WiFi网络连接起来，如图2.3WiFi上位机现场机传输网络监测仪器图2.2仪器单独组成的监测系统基于无线传输网络的环境监测系统7所示。分布在现场的监测仪器将各自采集到的数据通过WiFi网送入数据采集仪，而数据采集仪作为一个独立节点联入传输网络，再通过传输网络和上位机进行数据交换和通信。这对于成本的降低是非常有帮助的，同时也利于系统的管理和维护。在监测现场，数据采集仪的主要任务是实现对所有现场仪器的管理，以及对监测仪器采集到的实时数据进行汇总并存储到本地数据库中。同时它还作为传输网络的一个节点（具备WiFi网络的接口）和上位机进行数据交换通信。在本次设计中采用一台PC机作为WiFi上位机系统现场机系统无线网络传输数据采集传输仪图2.3监测仪器通过数据采集仪连接上位机监测仪器监测仪器监测仪器……WiFi基于无线传输网络的环境监测系统8数据采集仪，现场监测仪器通过路由器和PC机组成局域以太网。在以太网中，每个仪器被分配了一个独立的IP地址，数据采集仪就根据这个IP地址和每个仪器进行数据通信。PC机上安装Windows2000Server操作系统，并且借助SQLSever2000建立一个小型的数据库，用于实现对现场监测仪器各种参数的设置和保存。仪器的兼容性对于整个系统的可靠性是非常重要的，为了使不同厂商生产的监测仪器在同一系统下能够兼容，采用一种标准化的通信协议是非常重要的，在此次设计中，仪器局域网络采用目前工业上常用的Modbus协议作为传输协议。Modbus协议的特点在于为网络中的每一个仪器分配一个独立的地址，每次对监测仪器进行操作都必须通过这个地址来进行。2.1.2基于WiFi技术的无线传输网络无线传输网络承担了整个系统的数据流通工作，传输网络的实时性，可靠性和稳定性将直接决定整个监测系统是否能够正常、高效地工作。本次设计采用了基于WiFi技术的无线传输网络，WiFi技术具备传输速率高、传输距离远、覆盖范围广等特点，在无线局域网应用中得到了迅猛的发展。由于此次设计的环境监测系统是在300*300m的范围内，所以运用WiFi热点就可以达到传输的目的。在本次设计中，考虑设计范围，所以只需要建立一个WiFi热点就可以达到设计要求，结构框图如2.4所示。W