CC BY
228
АСТРАХАНСКИЙ ВЕСТНИК ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
№ 1 (27) 2014. с.120-125.
ДИСТАНЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ: НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПОЛУЧЕНИЯ, ПЕРЕДАЧИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ
Анна Олеговна Фомина, Дарья Дмитриевна Васильева, Юрий Моисеевич Брумштейн
Астраханский государственный университет brum2003@mail.ru
Окружающая среда, параметры, экология, дистанционный мониторинг, датчики, проводные сети, беспроводные сети, использование данных, экологическое образование
Рассмотрены цели и технологии дистанционного мониторинга параметров окружающей среды. Показаны ограничения в отношении параметров, которые могут мониторироваться в дистанционном режиме. Проанализированы преимущества и недостатки использования проводных и беспроводных сетей для передачи данных, управления средствами дистанционного мониторинга. Исследованы возможные направления использования данных, получаемых при дистанционном мониторинге.
REMOTE MONITORING OF ENVIRONMENTAL PARAMETERS: SOME QUESTIONS OF RECEIVING, TRANSFER AND USE OF DATA
Anna Olegovna Fomina, Daria Dmitrievna Vasilyeva, Yury Moiseevich Brumsteyn
Astrakhan state university brum2003@mail.ru
Environment, parameters, ecology, remote monitoring, sensors, wire networks, wireless networks, use of data, ecological education
The purposes and technologies of environmental parameters remote monitoring are considered. Restrictions on parameters, which can be monitoring in remote mode, are shown. Advantages and shortcomings of wire and wireless networks usage for data transmission, means of remote monitoring management are analyzed. The possible directions of usage for data, obtained at remote monitoring, are investigated.
Мониторинг параметров окружающей среды (МПОС) является важным элементом информационного обеспечения принятия и реализации решений по управлению социально -экономическим развитием территорий; их зонирования для различных целей; реализации градостроительных и рекреационных проектов; экологического образования [1,4] и пр. Традиционные технологии МПОС связаны, в основном, с взятием проб в полевых условиях и их последующим лабораторным анализом (иногда - в полевых условиях). Такие технологии обладают большими функциональными возможностями, но они не оперативны, многие из них достаточно трудоемки. В то же время развитие информационных технологий потенциально позволяет осуществлять МПОС в дистанционной форме, в т.ч. с помощью аэро - и фотосъемки и/или радиолокационного зондирования Земли; стационарных и мобильных устройств контроля (УК) с датчиками. Такие УК могут находиться в воздушной или водной среде, в грунте и обеспечивать непрерывный МПОС в автоматическом режиме или по запросам из центров контроля. Целью данной статьи был анализ некоторых вопросов получения данных в рамках МПОС, их передачи, направлений последующего использования.
По Трофимовой В. Л. (2002) экологический мониторинг - это система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени, дающая информацию о состоянии окружающей среды с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза в будущем параметров окружающей среды, имеющих значение для человека.
120
Средами, в отношении которых осуществляется МПОС, могут быть: воздух; водная среда (закрытые и открытые естественные водоемы - включая водотоки, техногенные водные объекты и пр.); грунт (почва).
Общими мониторируемыми показателями для воздуха, воды, почвы могут быть: температура; скорость движения воды или воздуха; направления движения; химические и бактериологические загрязнения; уровень ионизирующих излучений. Дополнительно отметим такой специфический показатель для воздуха как запыленность (минеральными частицами, пыльцой, пухом и пр.), а для воды и грунта (почвы) - кислотность. Для водной среды важны изменения уровня воды в открытых водоемах, а для грунта - уровней грунтовых вод. В рамках экологического мониторинга важное значение имеет контроль состояния биоты, включая млекопитающих, птиц, рыб и пр. Наиболее лабильными в отношении показателей являются воздушная среда и проточные водоемы. Поэтому вопросы МПОС для них являются особо актуальными.
В общем случае МПОС в России может осуществляться различными организациями и физическими лицами: органами Росприроднадзора, Роскомгидромета; исследовательскими центрами и НИИ; производственными организациями, включая относящимися к топливно-энергетическому комплексу; образовательными организациями (включая вузы, ССУЗы, школы и пр.); общественными организациями и объединениями (включая экологические); отдельными лицами - в т.ч. в рамках учебной деятельности.
Возможны такие варианты первичного использования данных, полученных при МПОС: публикация в государственных статистических отчетах, докладах о состоянии окружающей среды - в т.ч. на региональном и федеральном уровнях; отражение на сайтах в Интернете, в т.ч. с наложением на картографическую основу местности [5]; внесение в компьютерные базы данных и ГИС, предназначенные для различных целей и пр. «Вброс» в информационное пространство (в т.ч. через Интернет) необъективных данных о состоянии окружающей среды может рассматриваться как фактор нарушения информационной безопасности регионов, населенных пунктов [2].
Вторичное использование данных МПОС возможно следующее: принятие проектных решений по размещению на местности производственных, жилых, рекреационных и иных классов объектов; принятие решений, связанных с контролем и управлением деятельностью организаций, загрязняющих окружающую среду, а также использующих биологические и небиологические ресурсы окружающей среды; принятие решений, связанных с обеспечением здоровья населения; разработка законодательных (нормативных) актов; подготовка и реализация решений по корректировке технологий МПОС, мест наблюдений, частоты съема показаний; публикация научных статей и монографий; подготовка диссертаций; использование данных МПОС для обучения - в вузах [1,4], ССУЗах, школах, институтах (факультетах) повышения квалификации и пр. Оперативность и объективность данных МПОС, их точность имеют важнейшее значение для качества принимаемых решений, эффективности экологического образования молодежи [1,4] и др.
Для дистанционного МПОС (ДМПОС) типичная цепочка получения данных выглядит так: «датчик для измерения (получения) показателя -> передающее устройство -> приемное устройство -> системы накопления и/или отображения данных -> системы анализа данных, получения сводок и пр.». В простейшем случае частота съема данных является фиксированной и неизменной во времени. Однако возможны и варианты получения данных на неравномерной временной сетке [3], в т.ч. «по требованию» - в виде разовых запросов. При использовании управляемых УК необходима двусторонняя передача информации между УК и центром мониторинга, что требует более сложных аппаратно-программных решений. Отметим, что для компьютерных сетей, телекоммуникационных технологий типична передача данных с помощью «пакетов», каждый из которых содержит «контрольную сумму». На приемном конце «контрольная сумма» фактически принятого пакета вычисляется и сравнивается с переданной. При несовпадении - запрашивается повторная передача того же пакета, при совпадении -передача следующего пакета. Это обеспечивает достоверность передачи информации.
Требования к датчикам для систем ДМПОС: широкий температурный диапазон использования; высокая надежность; низкое энергопотребление; достаточная чувствительность; малые размеры; относительно низкая стоимость и пр. «Группировка» нескольких датчиков в УК дает такие преимущества: общий источник энергопитания; общее приемо-передающее устройство для всех датчиков и пр. Обычно в УК используется микропроцессор (МП), обеспечивающий опрос датчиков в заданные моменты времени с использованием собственного таймера; аналогово-цифровое преобразование сигналов (при необходимости); накопление данных для передачи их «пакетом»; перемещение/поворот датчиков, видеокамер и пр. Отметим, что существующие типы датчиков позволяют в рамках ДМПОС эффективно контролировать лишь ограниченное число параметров, причем не во всех необходимых диапазонах. Датчики и технологии контроля температуры воздуха и воды хорошо отработаны. В то же время, существующее портативное оборудование обеспечивает контроль лишь высоких уровней запыленности воздуха лишь (с использованием эффектов поглощения или рассеяния света). Методы контроля в воздухе и воде многих химических токсикантов требуют сложного оборудования, иногда и расходных материалов. В случае ДМПОС с не охраняемыми УК, это, часто, неприемлемо.
Неподвижные датчики (или УК) для воздушной среды могут быть размещены так: на зданиях и иных сооружениях (включая телевизионные вышки, трубы, антенны сотовой связи и пр.); на специальных стойках, размещенных на местности; на технологическом оборудовании и пр. (учитывается необходимость защиты датчиков/УК от вандальных рисков, неумышленных механических повреждений и пр.). Подвижные датчики могут использоваться как в моменты остановок объектов-носителей (автомобили; суда; гужевой транспорт; люди; самолеты; беспилотные летательные аппараты; воздушные шары), так и в процессе их движения.
Варианты энергопитания УК: заменяемые аккумуляторные батареи (АКБ); АКБ, подзаряжаемые извне УК - по кабелю; питание УК от электросети через понижающий напряжение трансформатор; комбинация «электросеть + АКБ». Волновая накачка АКБаккумуляторных батарей как правило не используется.
Информационные связи УК с системой получения/анализа информации могут быть организованы как по проводным, так и по беспроводным сетям.
Основное преимущество проводных сетей (высокая скорость передачи информации) для ДМПОС обычно не очень важна. В то же время значительная протяженность «проводного канала», наличие потенциально повреждаемых кабелей, усилительных и пр. устройств снижает надежность связи.
Преимущество беспроводных сетей - свободное размещение датчиков, возможность их перемещения в пространстве. В зонах покрытия операторов сотовой связи (ОСС) обычно используется приемо-передающее оборудование на основе стандартов GSM. Однако в отдаленных местностях сотовая связь часто не действует или не устойчива - это может относиться также к особо охраняемым природным территориям [10]. При этом возможны такие решения: установка на УК специальных антенн, приемно-усилительной и передающей аппаратуры, позволяющих работать в сетях ОСС; использование коротковолновой радиосвязи -однако при этом пропускная способность канала будет относительно небольшой. Отметим, что в России стандарт CDMA, с большей чем GSM дальностью связи, распространен слабо.
Практические вопросы построения сетей сбора/передачи данных ДМПОС важны не только инженерам, но и другим специалистам - включая экологов.
Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «Сенсорные сети» (СС) - одно из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами [11]. Сегодня технология беспроводных СС (БСС) позволяет успешно решать задачи ДМОПС и контроля. Объединенные в БСС датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации о физических средах и объектах [11], в т.ч. и в режиме реального времени. Использование стандартных элементов БСС позволяет экономить время и средства при их монтаже. Для обеспечения максимальной
дальности и качества передачи сигналов датчики для БСС должны располагаться в пределах прямой видимости от приемных устройств, в т.ч. они могут быть «подняты на столбах». В качестве приемных устройств могут использоваться, например, шлюзы -маршрутизаторы модели NI WSN-3720, в т.ч. и с использованием выносных антенн. Мобильные УК для ДМПОС обычно снабжены модулями GPS /ГЛОНАСС - для оценки местоположения и скорости УК.
В типичных ДМПОС на основе БСС сервисы обработки, хранения и предоставления данных на различном уровне реализуются в виде АРМ пользователей и центрального пункта мониторинга, на котором формируется (хранится) общая база данных (БД) на основе использования серверной СУБД с регламентированным доступом пользователей к ней. Блок управления и связи обеспечивает прием запросов от АРМ системного администратора и пользователей на получение информации о состоянии окружающей среды, по проводным (RS -485, Ethernet) и беспроводным (Wi-Fi. GSM/GPRS) каналам - в т.ч. с применением специальных антенн; анализирует корректность запроса; обеспечивает предоставление информации из БД [8].
Рассмотрим варианты построения системы ДМПОС на примере «метеоточки». Обмен информацией с ней осуществляется через GSM-сеть, а сервер сбора данных организован на удаленном компьютере в сети Internet. При этом модуль управления собирает информацию с датчиков и при помощи GSM-модуля передаёт ее через GSM-сеть оператору. Возможны два подхода: использование завершённых коммерческих модулей; разработка модулей,
оптимизированной по критерию стоимость/производительность. В обоих случаях может быть использована сеть датчиков с интерфейсом «1 -Wire».
Первый вариант решения задачи (рис.1) основан на применении готовых модулей: в качестве GSM-модуля использует сотовый IP шлюз OnCell G3151 фирмы MOXA [6], позволяющий подключить любое устройство с последовательным интерфейсом к GSM-сети.
Рис. 1. Решение задачи мониторинга с использованием шлюза (модификация схемы из [9])
На ПЭВM оператора, имеющего доступ в сеть Интернет, устанавливается ПО фирмы MOXA, которое создаёт виртуальный последовательный порт. На стороне «метеоточки» к последовательному порту GSM- шлюза подключается адаптер DS9097U (COM to 1 -Wire), обеспечивающий управление 1 -Wire сетью с датчиками. Таким образом, ДMПОС ведется с ПЭВM оператора, т.е. система датчиков - «не автономна». Другие недостатки: довольно высокое энергопотребление; большая стоимость шлюза OnCell G3151.
Второй вариант - построение системы ДMПОС с использованием микроконтроллера в качестве узла предварительной обработки информации. При этом минимизируется стоимость; обеспечивается автономной работы с формированием БД параметров на удаленном сервере. В качестве GSM-модуля (рис. 2) используется SIM300D, а система управления реализована на микроконтроллере семейства AVR ATMEGA64 [7]. Mикроконтроллер занимается сбором информации с системы датчиков, конфигурирует и отсылает данные удаленному серверу при помощи GSM-модуля.
Рис. 2. Блок-схема УК по второму варианту (по [9]).
Выводы:
1. Эффективное решение задач ДМПОС, включая получение, обработку и анализ данных, должно опираться на использование информационных технологии.
2. Результаты ДМПОС могут быть использованы с различными целями, включая информационную поддержку экологического образования.
3. Для передачи данных в рамках ДМПОС целесообразно использование беспроводных
сетей.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ. Грант № 14-06-00279 «Разработка методов исследования и моделирования объемов/структуры интеллектуальных ресурсов в регионах России»
Литература
1. Брумштейн Ю.М., Горбачев И.Н., Иванова М.В., Аксенова Ю.Ю. Применение информационнокоммуникационных технологий для поддержки экологических решений в процессе обучения в ВУЗах г.Астрахани //Астраханский вестник экологического образования - №1 (17)-2011-с.33-42
2. Брумштейн Ю.М., Подгорный А.Н. Комплексный анализ факторов информационной и интеллектуальной безопасности регионов //Информационная безопасность регионов, Саратов, 2011, №1(8), с.8-14
3. Брумштейн Ю.М., Иванова М.В. Одно- и многомерные временные ряды: анализ возможных методов оптимизации отсчетов и оценки характеристик //Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. -Астрахань - 2012 - №4 - с.34-43
4. Брумштейн Ю.М., Аксенова Ю.Ю., Неживая Ю.Н., Травова Е.С., Кузьмина А.Б. Экологическое образование студентов инженерных специальностей вузов: направления обучения и особенности использования информационных технологий //Астраханский вестник экологического образования - №1 (23)-2013-с.88-91
5. Брумштейн Ю.М., Сисемалиева М.А., Ибрагимова Т.А. Экология Астраханской области в зеркале Интернета //Астраханский вестник экологического образования - №1 (23)-2013-С.92-96
6. Гуртовцев А. Л. Современные принципы автоматизации энергоучета //Автоматизация.- 2005. № 1. - С. 15
7. Кругляк К. Промышленные сети: цели и средства // Современные технологии автоматизации.- 2002. - № 4. - С. 6-12. [Электронный ресурс] www.cta.ru. Дата обращения 16.02.2014
8. Попова Н.В. Разработка и реализация унифицированного комплекса мониторинга состояния городской воздушной среды. - Автореф. дис. ... канд. техн. наук: спец. 05.11.13 [Место защиты: Национальный исследовательский университет «МИЭТ»].- М.: 2012.- 27 с.
9. Шалатонин И.А., Бондаренко А.С. Мониторинг удаленных объектов с использованием проводных и
беспроводных сетей [Электронный ресурс]
http:Mib.bsu.by/Ыtstream/Ш456789/Ш355Л/pages%20fюm%20%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D1%84%D0%B5%D 1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F 1.%20503-508pdf.pdf. Дата обращения 16.02.2014
10. Чуйков Ю.С. Об особо охраняемых природных территориях Астраханской области //Астраханский вестник экологического образования - №3 (25)-2013-С.88-95
11. [Электронный ресурс] (Беспроводная сенсорная сеть)
http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводная_сенсорная_сеть. Дата обращения-13.02.2014.
