基于物联网技术的智慧环保云平台设计方案研究

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2024.9 | 093 基于物联网技术的智慧环保云平台设计方案研究 付早，刘洪具 云南昆钢电子信息科技有限公司，云南 安宁 650302 摘 要 ： 文章以物联网基础为基础架构，提出智慧环保云平台架设方案。该平台结构主要由服务层、智慧层、传输层和感知层 组成，各层级相互独立，也相互协作。平台具备环境数据实时采集、监测、分析和管理等功能。科学应用可以实现环 保数据智能化管控和实时监测，大幅度提升环保工作实施水平。 关 键 词 ： 物联网技术；智慧环保云平台；设计方案 Research on the Design Scheme of Smart Environmental Protection Cloud Platform Based on Internet of Things Technology Fu Zao, Liu Hongju Yunnan Kungang Electronic Information Technology Co., Ltd. Anning , Yunnan 650302 A b s t r a c t : This article proposes a solution for setting up a smart environmental protection cloud platform based on the foundation of the Internet of Things. The platform structure mainly consists of a service layer, an intelligence layer, a transport layer, and a perception layer, which are independent of each other and also cooperate with each other. The platform has functions such as real-time collection, monitoring, analysis, and management of environmental data. Scientific applications can achieve intelligent control and real-time monitoring of environmental data, greatly improving the implementation level of environmental protection work. Keywords : Internet of Things technology; smart environmental protection cloud platform; design scheme 引言 随着工业化进程加快，在实现现代化建设、经济蓬勃发展的同时，也使得环境污染、资源浪费问题日益严重。在此背景下，为了实 现人类持续发展，绿色、低碳、节能等理念得到广泛推广。与此同时，可持续发展战略实施过程中，物联网技术基于自身优势，在多领 域发挥重要作用。文章在此以物联网技术为基础，以环境智能化检测和管理为目的，提出一种环保云平台设计方案，旨在为环境保护工 作科学开展提供更多支持。 一、研究概述 物联网技术是基于新时期科学理论深入研究和技术发展提出 的一项新技术。其最大优点在于可以实现传感器、设备和网络之 间的有效连接。科学应用物联网技术，可以实现环境参数、能源 消耗及排放等数据实时、智能化监测 [1]。 基于此，文章探究物联网技术和环保领域融合可行性，以应 用需求为目标，提出一个智能化环保管理云平台架构方案。基于 系统功能模块设计，实现环境数据智能化收集、远程化管理。基 于系统平台架构，用户可以实时在终端了解、查看环境监测信息 数据，明确当前能源利用情况等信息，进而针对性制定环保策 略，规划未来环境保护工作发展方向等。 二、基于物联网技术的智慧环保云平台设计方案分析 （一）平台总体架构 文章以物联网技术为基础，采用分层设计方法完成平台架 构。设计的云平台系统大体上分为四个层级。分别是服务层、智 慧层、传输层和感知层。每一层级负责不同功能，各层级紧密联 系在一起，协作支撑环保云平台架设目标达成 [2]。结构组成见下图 1所示。 结合上图1来看，服务层是基础服务的主要载体，其包括污染 防治、应急处理、政务公开、环境治理等模块，用户通过登录， 进入该层级，基于需求选择相对应的功能模块，从而完成操作 [3]。 智慧层是基础支持架构，系统中的数据采集、整理和分析等功 电子与通信工程 | ELECTRONIC AND COMMUNICATION ENGINEERING 094 | ENGINEERING RESEARCH AND APPLICATION 能，均需要智慧层提供支持。传输层是确保传感器等感知层设备 和服务器之间实现信息交互和远程管理的基础。感知层是与外界 环境实现信息交互的支撑，通过摄像头、视频摄像机以及传感器 等，实现外界信息数据的智能化采集。 （二）通信协议 文章构建的系统应用过程中，信息数据传输、信息交互等均 无法脱离通信协议的支持。文章基于系统设计需求，从数据格 式、传输方式、错误检测和纠正机制等方面入手进行思考 [4]。最终 应用的通信协议数据结构如下表1所示。 表1 通信协议数据组成结构总结表 通信包 组成内容 通信包 组成 包头 数据段长度 数据段 请求编码 系统编码 命令编码 密码 监测点唯一标识 标志位 总包数 包号 指令参数 CRC 校验 包尾 （三）硬件设计 基于上文总体架构分析，该云平台硬件部分主要有各种传感 器、摄像头和视频摄像机、网络连接设备、数据传输设备及控制 设备等组成，其中以传感器为代表的监测设备负责环境参数数据 采集，例如借助湿度传感器实时采集当前环境湿度信息等。网络 连接模块主要包括无线路由器、LoRa 模块和 Wi-Fi 模块等，其 主要作用是为数据传输和实时通信提供支持 [5]。数据传输设备包括 采集终端设备、数据分析设备等，这些设备负责将由传感器等监 测设备中获取的数据进行汇总、整理和传输，最终上传到云服务 器中的数据库中保存。控制设备主要包括智能开关、联动控制器 等设备，其主要职能是辅助系统完成远程控制和各设备智能化调 控 [6]。综上，文章提出的云平台硬件结构如下图2所示。 �� ���� ����� ��� ��� ��� 4G �� 4G DTU �� LoRa ���� LoRa ����� ���� ������ ������ ������ > 图2 智慧环保云平台硬件组成结构图示 （四）软件设计 软件设计方面主要包括三大内容：第一，后台管理。后台管 理主要功能包括用户管理、设备管理、数据管理、自动报警管 理及日志管理五大模块 [7]。其作为平台正常运行和管理实施的保 障，必须具备流畅的运行效率和反应速度。同时，为了保证平台 安全、可靠，还需要设置权限分级管理体系和登录验证机制。通 过分类授权和不同等级验证方式，避免信息数据被篡改或者随意 删除。第二，前台管理。其与用户平台应用的满意度存在直接联 系 [8]。为了确保平台设计更契合用户需求，应结合用户共性习惯， 遵循人性化原则，完成操作界面、交互功能模块等设计。第三， 服务器搭建。服务器作为承接、处理来自传感器等终端设备信息 和用户请求的中枢，保证其流畅、可靠运行是关键。除此之外， 文章借助 Python 编程语言完成上位机软件开发，其中软件前端部 分借助 Vue3 框架完成设计，软件后端部分借助 Django 框架完成 设计 [9]。 基于上文的软件设计，用户登录平台，可以通过客户端自行 查看环保相关数据，也可以基于需求更改数据呈现形式，或者通 过查看图表信息，直观掌握当前环保情况。 （五）数据库设计 智慧环保云平台建设过程中，数据库是不可忽略的重要组 成。其作为数据存储、管理和处理的重要载体，设计合理性、逻 辑清晰度和较大的数据容量是重点关注因素 [10]。 基于此，文章借助 PyCharm 开发工具，以 MySQL 数据库为 基础，借助其表结构搭建数据库体系，确保数据库可以充分容纳 各类型环境数据信息，并且包含设计科学的数据模型和数据表， 确保可以高效、智能辅助系统各功能完成数据处理。具体来看， 设计的表结构中主要信息类型包括四方面，分别是用户信息、设 备信息、节点信息和监测数据 [11]。其实体－关系（E-R）图见下 图3所示。 ��� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ��� ����� ���� ��� ���� ��� ���� ���� ���� ���� ��� ����� RFID ��� ��� > 图1 智慧环保云平台系统总体架构图示 2024.9 | 095 ���� ���� ���� ���� �� �� �� > 图3 MySQL 数据库的表结构 E-R 图示 三、云平台性能测试分析 为了验证上文提出的云平台系统设计方案的科学性和可行 性，通过实验分析的方式实现校验。 （一）数据读取性能验证 随机选择来源于政府机构的环保数据信息为研究对象，以传 统的环保数据分析平台作为对照组，利用两个平台同步进行环保 数据信息读取，并记录数据时间。最终结果表明，两个平台信息 数据读取时间相差不大。同时，从实时数据查询方面再次进行验 证，最终发现两个系统平台在进行实时数据查询时均存在延迟情 况。其中延迟试验结果如下表2所示。 表2 读取性能验证总结表 读取数据量 对照系统读取延迟结果 /ms 文章提出方法读取延迟结果 /ms 1M 24.3 22.7 10M 26.7 23.5 50M 27.4 24.2 100M 30.2 26.4 从中可知，文章提出的方案，随着查询数据量增大，数据查 询延迟相对较小，更具备优势。 （二）经济性方面的验证 文章提出的方案得到应用后，可以借助技术手段，实现远程 化、无人化监测。同时，基于物联网技术可以实现智能预警，也就是 自动监测环境状态，识别出异常信息时，系统会自动示警，提示相关 人员关注。相较传统的环境监测方法而言，环保云平台的建设，可以 在一定程度上，缩减负责人员数量，降低人工成本支出 [12]。并且从 长远角度来看，依托设备进行环境监测，最大支出包括安装建设和维 护两方面内容，相较以往费用支出来看，其总体成本更低。 四、结语 综上所述，文章基于物联网技术优势，结合新时期通信技 术、数据处理分析整理技术和数据库技术等，以实时监测采集环 境参数数据为目标，构建了一个具备远程管控和自动示警功能的 环保云平台系统。该系统可以更为高效采集环境参数数据，辅助 相关人员实时了解环境质量水平，进而提供更多具备针对性的污 染防治、环境环保策略。 参考文献 [1] 熊绘，王飞．环保设备物联网平台的设计与实现［J］．今日制造与升级，2024，11(4):66-69. 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