智慧环保中的物联网技术

智慧环保中的物联网技术,第三组讲解：皇帝组长：将军成员：招募中,环境灾难频现,农村癌症高发率的出现据央视调查，全国有近200个癌症高发率的村-饮用水污染、空气污染是致癌直接原因,双头动物大量出现,PPT模板下载：,畸形、残疾人比比皆是,因此我们有必要对环境质量进行检测，首先让我们看看对空气质量的检测,空气质量检测目的与意义,大气污染是由于人类活动或自然过程所引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。一般来说，自然现象所造成的空气污染，自然环境可通过自身的物理、化学机能，经过大气监测方法一段时间后使之自动消除，这就是地球的自净能力和自然生态平衡的自动恢复，因此，通常说的大气污染是指由于人类活动造成的危害。,大气污染监测的目的在于气体传感器识别大气中的污染物质，掌握其分布于扩散规律，监视大气污染源的排放和控制情况。,气体传感器,从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电引号的转换器。,根据气体传感器使用的气敏材料以及气敏材料与气体互相作用的效应不同可以大致将气体传感器分为以下几类：半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器等。,自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器已经成为当今应用最普遍、最实用的一类气体传感器。优点：成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。缺点：之处是必须在高温下工作、对气体或气味的选择性差、元件参数分散、稳定性不理想、功率高等方面。,半导体型气体传感器,电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，目前可以检测许多有毒气体和氧气，后者还能检测血液中的氧浓度。电化学传感器的主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性。不足之处是有寿命的限制一般为两年。,电化学气体传感器,固态电解质气体传感器,固态电解质就是以固体离子导电为电解质的化学电池。它介于半导体和电化学之间。选择性，灵敏度高于半导体而寿命又长于电化学，所以也得到了很多的应用，不足之处就是响应时间过长。,接触燃烧式气体传感器,接触燃烧式气体传感器只能测量可燃气体。又分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，原理是气敏材料在通电状态下，可燃气体在表面或者在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。后者因为催化剂的关系具有广普特性应用更广。,光学式气体传感器主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型等等，主要以红外吸收型为主。由于不同气体对红外波吸收程度不同，通过测量红外吸收波长来检测气体。目前因为它的结构关系一般造价颇高。,光学式气体传感器,大气污染的监测方法,1.化学监测:设备简单、经济、易掌握。有一定的准确性。2.物理或物理化学监测：是建立在仪器分析基础上的监测方法。灵敏度高，操作简便，监测速度快，易于实现自动化和连续监测。但要求一定的技术、设备条件，仪器昂贵，为监测的发展方向。3.生物监测:利用动、植物对污染物质的反应对大气进行监测的方法，可以补充物理、化学监测的不足。但只用于定性或半定量的测定。,气体传感器工作原理,气体传感器工作原理：金属氧化物一旦加热，空气中的氧就会从金属氧化物半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附负电子，使表面电位增高，从而阻碍导电电子的移动，所以，气体传感器在空气中为恒定的电阻值。这时还原性气体与半导体表面吸附的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值要发生变化。对于还原性气体，电阻值减小；对于氧化性气体，则电阻值增大。这样，根据电阻值的变化就能检测气体的浓度。,气体传感器,优点：价格便宜，使用方法简单。缺点：功能较为单一且稳定性较差，受环境影响较大。尤其，每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。因此，不宜应用于计量准确要求的场所。,水体污染监测,水资源的分布,一.水资源地球上存在的总水量约为1.37x1018m3,其中海水约占97.3%，淡水仅占2.7%。淡水不但占的比例小，而且大部分存在于地球南北极的冰川、冰盖及深层地下水中，可利用的淡水资源只有江、河、淡水湖和地下水的一部分，总计不到淡水总量的1%。地球上水量分布比,水污染,一、金属化合物的测定,金属化合物的测定法测定金属化合物的方法很多，各类方法都有一定的适合范围和对象，监测方法的选择应根据所检水样中金属的种类含量及所要求的准确度而定。另外也与监测站的实验室所具有的条件有关。常用的方法有以下几种：（1)分光光度法（2)原子吸收分光光度法（3)原子发射光谱法（4)电化学法（5)容量法,汞的测定（1）冷原子吸收法水样经消解后，将各种形态的汞转变成二价汞，再用氯化亚锡将二价汞还原为元素汞，利用汞易挥发的特点，在室温下通入空气或氮气流将其气化，载入冷原子吸收测汞仪，测量对特征波长光的吸光度，与汞标准溶液的吸光度进行比较定量。汞原子蒸汽对253.7nm的紫外光(低压汞灯辐射)有强烈吸收，并在一定范围内，吸光度与浓度成正比。（2）冷原子荧光法该方法是将水样中的汞离子还原为基态汞原子蒸汽，吸收253.7nm的紫外光后，被激发而发射特征共振荧光，在一定的测量条件下和较低的浓度范围内，荧光强度与汞浓度成正比。,二、有机化合物的测定地面水污染，以有机物污染为主。有机污染物对水体中水生生物的影响最为显著。它们是以其毒性及使水中溶解氧减少的形式对生态系统长生影响。有机物种类繁多，化学稳定性差，环境含量低，异构体多，所以在环境监测中除因研究工作需要、工业废水排放需测定某一种有机物外，多数是测定总有机污染物（TOC、TON、TOD、BOD、COD）或某一类有机污染物（油类、酚类、有机磷和有机氯农药等）,测定总有机污染物方法有两类：一类是直接测定水中的污染物，总有机碳（TOC）、总有机氮（TON）等；另一类是测定可以与有机物反应的氧化剂的量，间接反映有机污染物的含量，如生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）和总需氧量（TOD）等。,1、无线水下传感器网络水下传感器网络是指将能耗很低、具有较短通讯距离的水下传感器节点部署到指定海域中，利用节点的自组织能力自动建立起网络网络中的节点利用传感器实时监测、采集网络分布区域内的各种监测信息，经数据融合等信息处理后，通过具有远距离传输能力的水下节点将实时监测信息送到水面基站，然后通过近岸基站或卫星将实时信息传递给用户。水下传感器网络能够为促进海洋环境管理、资源保护、灾害监测、海洋工程、海上生产作业和海洋军事等活动提供更好的技术设备和信息平台.因此水下传感器网络得到了世界各国政府部门、工业界、学术界和科研机构的极大关注.,2、无线地下传感器网络无线地下传感器网络是指将大部分无线传感器节点埋在土壤中的传感器网络，传感器节点之间以及传感器节点与地上设备之间均通过无线电进行通信。无线地下传感器网络具有良好的应用价值,可以用来监测土壤成分、地下动物巢穴、地下建筑物状况以及地面上物体移动情况等,为农业、环保、科学研究以及安全监控等应用提供有用的信息。与现有的将传感器用有线方式连接起来,进行地下监测的手段相比,无线地下传感器网络具有隐藏性强、易于布设、数据及时、可靠性强、覆盖范围大,易升级等多个明显的优势。无线地下传感器技术是传感器应用研究的新领域。无线地下传感器网络将能够提供更为精确详细的地下环境信息，同时摆脱了有线连接的限制，使传感器节点可以大范围部署。,3、环境监测中的稀疏网络利用无线通信技术建立环境监测系统的体系结构构建环境监测系统，应包括：（1）实现数据采集的传感系统和数据转换发送的智能检测控制终端设备，该部分由无线传感器网络构成；（2）完成监测数据和控制命令的传输。该部分的构建有多种形式，包括Internet、WIFI、WIMAX和卫星网络等多种形式构建的网络。（3）数据处理的监测应用系统部分，完成监测数据的处理及对设备的控制。不同环境可能采用不同的技术和设备，只要各个部分的具体技术模块在接口上遵从共同的标准,就可以方便地根据不同的需要,快捷地设计与实现一个基于无线宽带网络技术的野外环境监测系统。其系统结构如图一所示。,4、城市中的协作感知环境监测网络在城市环境中，由于有大量的手机用户和机动车辆，可以将这些移动设备内置各种环境探测传感器，如感知周围环境状况的温度、湿度、环境噪声等，这样手机、车辆就将成为城市中无处不在的环境检测移动传感器节点。,由环境问题引发的思考,智慧地球：2009年初，IBM提出了“智慧地球”的概念，美国总统奥巴马将“智慧地球”上升为国家战略。“智慧地球”的核心是以一种更智慧的方法，通过利用新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交互的方式，以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度，实现信息基础架构与基础设施的完美结合。智慧环保：随着“智慧地球”概念的提出，在环保领域中如何充分利用各种信息通讯技术，感知、分析、整合各类环保信息，对各种需求做出智能的响应，使决策更加切合环境发展的需要，“智慧环保”概念应运而生。,“智慧环保”概念的提出,如何“更快速”感知影响城市环境、人体健康、生命安全的实时指标？如何“更全面”感知污染排放、环境污染、应急事故的变化过程？如何“更有效”判定环境监察执法与应急处置工作的执行状态与效果？如何“更智慧”决策重点城市、区域和流域重大环境管理问题？,3、智慧环保建设目标,总体目标,关键技术,智慧环保建设内容感知层建设,包括系统：污染源在线监控系统、环境质量在线监控系统、环境视频监控系统、设备设施运行监控系统。该系统通过实时、连续在线监控，提供一体化应用，准确、及时地反映污染源和环境质量变化。,环境质量在线监测系统,重点风险源监控系统,污染源在线监测系统,环境质量预测预报系统,环境生态遥感监测系统,放射源监控系统,设备设施运行状况监控,天空地一体化环境遥感监控综合应用服务体系,环保监控指挥中心,卫星影像遥感