廣州市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)

裴成磊,梁永健,劉文彬,鄺俊俠

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 廣州 510030)

·信息應(yīng)用·

廣州市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)

裴成磊,梁永健,劉文彬,鄺俊俠

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 廣州 510030)

廣州市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)分為子站系統(tǒng)和中心控制數(shù)據(jù)接收平臺系統(tǒng)兩部分。子站系統(tǒng)利用串口通訊采集儀器數(shù)據(jù)及狀態(tài)標(biāo)識;為確保中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收,系統(tǒng)通訊采用ADSL寬帶和無線通訊相結(jié)合的方式,并設(shè)立了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的協(xié)議;子站系統(tǒng)的可視化界面與遠(yuǎn)程控制軟件結(jié)合,可隨時對子站進(jìn)行監(jiān)控;采用SQ L語言對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問,完成每日日報預(yù)報功能。

空氣質(zhì)量;自動監(jiān)測系統(tǒng);設(shè)計(jì);建設(shè)

1 背景

廣州市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由自動監(jiān)測子站系統(tǒng)(以下簡稱“子站系統(tǒng)”)和中心控制數(shù)據(jù)接收平臺系統(tǒng)(以下簡稱“中心系統(tǒng)”)組成,主要功能是采集存儲子站內(nèi)儀器的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài),對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控操作得到每日空氣質(zhì)量的日報和預(yù)報。目前,廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站子站包括10個國控點(diǎn)子站,5個亞運(yùn)子站,17個市控子站;子站常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目為 SO2、NO2、CO、O3、PM10和氣象參數(shù) ,國控點(diǎn)子站監(jiān)測的 SO2、NO2、PM103項(xiàng)作為監(jiān)測指標(biāo),統(tǒng)計(jì)廣州市的空氣污染指數(shù)API。為做好2010廣州亞運(yùn)會空氣質(zhì)量保障監(jiān)測工作,廣州市添置了大量的自動監(jiān)測儀器,傳統(tǒng)的系統(tǒng)已無法滿足需要,為此,廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站結(jié)合自身實(shí)際,設(shè)計(jì)和建設(shè)了一個新型空氣質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)。

筆者介紹了包括子站系統(tǒng)和中心系統(tǒng)兩部分的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程,主要解決3個方面的問題:一是針對目前子站內(nèi)大量的不同種類的自動監(jiān)測儀器,如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的順利采集和發(fā)送;二是保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地發(fā)送和接收;三是中心系統(tǒng)能滿足日常日報預(yù)報的要求,并能對子站隨時遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 子站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)

廣州市目前的子站所有監(jiān)測項(xiàng)目除了常規(guī)項(xiàng)目外 ,還包括 PM2.5、PM1、VOC、EC/OC、顆粒物粒徑分布、NH3、CO2、CH4、能見度等項(xiàng)目。新增項(xiàng)目已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)系統(tǒng)的承載能力,迫切需要建立一套新的子站系統(tǒng),其應(yīng)具有以下功能:(1)能夠準(zhǔn)確地從各種自動監(jiān)測儀器中采集數(shù)據(jù)。(2)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)本地存儲。(3)可視化界面,能夠顯示儀器監(jiān)測的數(shù)據(jù)以及工作狀態(tài)。(4)數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)制可靠,防止數(shù)據(jù)丟失。圖1為子站系統(tǒng)功能框架。

圖1 子站系統(tǒng)功能框架

子站系統(tǒng)由工控機(jī)和子站系統(tǒng)軟件組成,子站系統(tǒng)軟件采用VB設(shè)計(jì),通過工控機(jī)串口采集儀器數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)標(biāo)識,并存入數(shù)據(jù)庫和發(fā)送文本中。圖2為軟件流程圖。

圖2 子站系統(tǒng)軟件流程

配置信息主要包括:子站站點(diǎn)編號,中心系統(tǒng)用于接收子站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的 IP地址和端口號,數(shù)據(jù)定時采集周期,數(shù)據(jù)數(shù)值保留小數(shù)位,數(shù)據(jù)數(shù)值保留有效數(shù)字等。檢查系統(tǒng)配置主要包括:系統(tǒng)資源檢查,軟件運(yùn)行所需資源檢查,串口資源和占用情況檢查。

目前自動監(jiān)測儀器的輸出有模擬和數(shù)字兩種信號。對于數(shù)字信號的采集,按照儀器提供的通訊協(xié)議,通過計(jì)算機(jī)串行通信口和儀表自帶的RS 232,可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)和狀態(tài)標(biāo)識的采集[1]。對于模擬信號,采用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后,利用串口可實(shí)現(xiàn)對模擬信號的采集。模擬信號和監(jiān)測數(shù)據(jù)之間需要確定對應(yīng)公式,一般為線性關(guān)系:

式中:a,b——系數(shù);X——模擬信號;Y——監(jiān)測數(shù)值。設(shè)定好儀器監(jiān)測量程后,通過測試2個或2個以上模擬輸出值和儀器測量值,由(1)式可以計(jì)算出參數(shù)a,b。如果為非線性關(guān)系,采用多點(diǎn)測試同理可以確定對應(yīng)公式中的系數(shù)。

每臺儀器所使用的通訊方式設(shè)置、串口設(shè)置、命令語言、對應(yīng)公式、數(shù)據(jù)使用的單位等存儲在腳本文件中。每次重啟時,軟件直接讀取每種儀器的腳本文件即可自動運(yùn)行。利用VB編程訪問Access或SQL Server數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲功能[2,3]。

軟件可視化界面設(shè)計(jì)需要滿足:5 min值及曲線顯示,小時值及曲線顯示,儀器運(yùn)行狀態(tài)顯示。建設(shè)完成的軟件界面如圖3所示。

圖3 子站系統(tǒng)軟件界面

子站工控機(jī)加裝了遠(yuǎn)程控制軟件,如Remote-ly Anywhere,Team View等。通過遠(yuǎn)程控制結(jié)合子站系統(tǒng)可視化界面,可以實(shí)時獲取子站內(nèi)儀器測量數(shù)據(jù)和儀器運(yùn)行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)通訊的設(shè)計(jì)及建設(shè)

現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)中,有線網(wǎng)絡(luò)速率和穩(wěn)定性高,無線網(wǎng)絡(luò)可移動性和方便性強(qiáng)。按照網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性優(yōu)先的原則,常規(guī)子站采取有線ADSL寬帶作為骨干通訊網(wǎng)絡(luò);山區(qū)和流動監(jiān)測車等較難安裝有線寬帶的子站,采用 GPRS或3G無線通訊為輔助網(wǎng)絡(luò)。中心系統(tǒng)采用具有固定 IP地址的有線寬帶網(wǎng)。

子站系統(tǒng)與中心系統(tǒng)間采用異步通信方式,子站系統(tǒng)內(nèi)有數(shù)據(jù)發(fā)送模塊,它循環(huán)讀取發(fā)送文本內(nèi)的數(shù)據(jù),并將每條數(shù)據(jù)發(fā)送到中心系統(tǒng)的固定IP地址端口下。為盡量避免數(shù)據(jù)的丟失,系統(tǒng)設(shè)立了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的協(xié)議:(1)每條數(shù)據(jù)以J Z作為開始符。(2)中間信息段包括子站編號、數(shù)據(jù)采集的日期時間、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)值、儀器狀態(tài)標(biāo)識。(3)日期時間和數(shù)據(jù)之間以@@@作為分隔。(4)不同測量項(xiàng)目以分號作為分隔。(5)每段數(shù)據(jù)以####作為結(jié)束符。(6)每條數(shù)據(jù)接收后需要回條確認(rèn)。

子站系統(tǒng)與中心系統(tǒng)間回條確認(rèn)的方式為:子站系統(tǒng)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲在發(fā)送文本內(nèi);子站系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)后等待中心系統(tǒng)的確認(rèn)消息(即回條);中心系統(tǒng)接收到每條數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)中固定IP和端口號、數(shù)據(jù)日期時間、站點(diǎn)編號作為標(biāo)識并以####結(jié)尾,作為回條發(fā)送回子站系統(tǒng);子站系統(tǒng)在確認(rèn)接收到回條后清除發(fā)送文本內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)。沒有接收到回條,子站系統(tǒng)將不會刪除對應(yīng)的數(shù)據(jù)并將持續(xù)發(fā)送。

為了與廣東省站監(jiān)控平臺聯(lián)網(wǎng)和對接,按照國家和省站的要求,在子站系統(tǒng)的配置文件中,添加省站數(shù)據(jù)接收軟件系統(tǒng)所使用的固定IP地址和端口號、按照國家規(guī)定要求編寫的子站編號以及需要發(fā)送的項(xiàng)目。子站系統(tǒng)將添加新的數(shù)據(jù)發(fā)送文本,數(shù)據(jù)發(fā)送模塊按照配置信息,將每個文本內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定IP地址和端口。

4 中心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建設(shè)

中心系統(tǒng)接收子站系統(tǒng)的數(shù)據(jù),將其存儲于服務(wù)器,并具有數(shù)據(jù)匯總查詢功能。中心系統(tǒng)由中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)接收存儲軟件、數(shù)據(jù)匯總查詢軟件組成。

4.1 數(shù)據(jù)接收存儲軟件

數(shù)據(jù)接收存儲軟件采用C#語言開發(fā),采用SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。軟件時刻監(jiān)聽接收數(shù)據(jù)的IP地址下的固定端口,在接收到符合協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)后,將站點(diǎn)編號、日期時間、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)值、儀器狀態(tài)標(biāo)識存入數(shù)據(jù)庫里對應(yīng)的表中,圖4為設(shè)計(jì)流程圖。

圖4 數(shù)據(jù)接收存儲軟件設(shè)計(jì)流程

4.2 數(shù)據(jù)匯總查詢軟件

數(shù)據(jù)匯總查詢軟件采用C#語言編寫,利用SQL結(jié)構(gòu)化查詢語言實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫操作。軟件包功能有:查詢5 min和每個小時的原始值;可對數(shù)據(jù)質(zhì)控和質(zhì)控數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢;可將原始數(shù)據(jù)和質(zhì)控數(shù)據(jù)繪制成曲線圖;能自動生成單站多測項(xiàng)報表、多站單參數(shù)報表、多站多參數(shù)報表、空氣質(zhì)量日報表、單站API日報表。軟件為了保護(hù)原始數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)庫中將原始數(shù)據(jù)和質(zhì)控數(shù)據(jù)存儲于兩張表中,質(zhì)控數(shù)據(jù)的修改將不會對原始數(shù)據(jù)造成改動,軟件具有網(wǎng)頁訪問查詢的功能。圖5為登錄后查詢界面。

圖5 數(shù)據(jù)匯總查詢軟件登錄后查詢界面

5 結(jié)語

綜合利用計(jì)算機(jī)編程、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)通信等信息技術(shù)設(shè)計(jì)建成的廣州市空氣質(zhì)量自動監(jiān)測新系統(tǒng),主要特點(diǎn)有:可采集種類和數(shù)量眾多的監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù);具有確保數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議;可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢質(zhì)控以及日報預(yù)報功能;具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能;方便日常維護(hù)。

整套系統(tǒng)建成已快1年,目前已能穩(wěn)定運(yùn)行,并取代傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行日常工作。進(jìn)一步補(bǔ)充完善系統(tǒng)的通訊及協(xié)議,將使其能兼容更多的新型儀器,運(yùn)行更加穩(wěn)定有效。

[1]張崇智.基于VB的串口實(shí)時數(shù)據(jù)采集[J].機(jī)電工程技術(shù),2005,34(10):79-81.

[2]周威.在VB.NET中用ADO訪問Access數(shù)據(jù)庫的方法[J].嘉興學(xué)院學(xué)報,2005,17(3):39-41.

[3]莊希環(huán).VB訪問SQL SERVER數(shù)據(jù)庫的方案分析[D].天津:天津大學(xué),2002.

The Design and Construction of Air Quality Automatic Monitoring System in Guangzhou

PEI Cheng-lei,LIANG Yong-jian,LIU Wen-bin,KUANGJun-xia
(Guangzhou Environmental Monitoring Central Station,Guangzhou,Guangdong 510030,China)

Guangzhou air quality automatic monitoring system is divided into the sub-station system and the center system which can control and

ata remotely.The sub-station system using serial communication collects data and state information form instruments.In order to ensure data receiving of center system,broadband,wireless and protocol of data sending and receiving are used.Combining visual interface of sub-station system with remote monitoring,sub-stations can be monitored anytime.Daily information and prediction can be completed by using SQL language to access database.

air quality;automatic monitoring system;design;construction

X84

B

1674-6732(2011)-02-0027-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.02.008

2010-09-25;

2010-09-30

裴成磊(1983—),男,助理工程師,碩士,從事空氣質(zhì)量自動監(jiān)測領(lǐng)域的工作和研究。

(本欄目編輯 陸敏)