基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測及溯源

鐘久隆，劉卓魁，顧喬軒，顧志勇，吳繼梅，黃國平

（1.南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.江蘇尚維斯環(huán)境科技有限公司AI研發(fā)部，江蘇 南通 226017）

隨著經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)越來越受到重視。目前，通常通過各種技術(shù)手段實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測和處理，但往往因預(yù)警和溯源不足影響處理效果。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理和挖掘技術(shù)的發(fā)展，將所檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)處理和存儲并建立相關(guān)模型進(jìn)行深度分析和數(shù)據(jù)挖掘，可由實時監(jiān)測拓展到對環(huán)境質(zhì)量的 “更透徹的感知” 。本文擬針對大氣環(huán)境監(jiān)測要求，從大氣環(huán)境參數(shù)測量、平臺構(gòu)建和數(shù)據(jù)挖掘等方面，提出一種大氣環(huán)境監(jiān)測及溯源系統(tǒng)實現(xiàn)方案[1]，建立面向?qū)ο蟮臉I(yè)務(wù)應(yīng)用及信息管理平臺，以期為環(huán)保部門進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、污染溯源和綜合防治等提供智能化手段。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)主要由中心平臺、匯總器、現(xiàn)場采集終端三部分構(gòu)成。中心平臺與匯總器之間采用GPRS通訊，匯總器與現(xiàn)場采集終端通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊[2]。

圖1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場采集終端的硬件選擇

為便于系統(tǒng)擴(kuò)展，在設(shè)計現(xiàn)場采集終端時，將硬件系統(tǒng)分為信號采集和ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸兩部分。其中，信號采集部分以CS32F030C8T6微控制器為核心，與相關(guān)傳感器連接實現(xiàn)信號控制，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行透明傳輸。

結(jié)合具體應(yīng)用，以具有典型意義的PM2.5、PM10、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、大氣壓等指標(biāo)監(jiān)控為例，給出硬件選擇方案。

（1）CS32F030C8T6微控制器

CS32F030C8T6是一款國產(chǎn)Cortex R-M0內(nèi)核微控制器，內(nèi)嵌64 Kbytes flash和8 Kbytes SRAM，工作頻率可達(dá)48 MHz。具有I2C、SPI、USART接口和1路12 bit ADC，7個16 bit定時器等資源，電壓為2 V～5.5 V，工作溫度為-40℃～85℃，適用于數(shù)據(jù)采集智能控制。

（2）溫濕度傳感器檢測模塊

溫濕度傳感器選用SHT10，其響應(yīng)速度快、可靠性高，CS32F030C8T6微控制器采用模擬I2C，由口線直接和SHT10連接即可。溫濕度傳感器接線如圖2所示，其中SCL、SDA為連接的網(wǎng)絡(luò)號。

圖2 溫濕度傳感器接線

（3）氣壓傳感器檢測模塊

采用搭載了BMP085的GY-65氣壓傳感器模塊，該模塊具有微功耗、微體積、精度高、性能好等特點。模塊通過I2C總線直接與各種微處理器MCU相連，其電路如圖3所示。

圖3 氣壓傳感器檢測模塊電路

（4）PM2.5、PM10檢測模塊

為提高測量精度，選用英國alphasense公司生產(chǎn)的高精度顆粒物傳感器OPC-R2，該傳感器能精確檢測PM2.5、PM10等顆粒物指標(biāo)，通過模擬SPI接口與微處理器連接。

（5）風(fēng)速、風(fēng)向檢測模塊

采用帶串口的風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，便于通過串口與微處理器進(jìn)行連接。

（6）Zigbee協(xié)調(diào)器

Zigbee協(xié)調(diào)器模塊選用CC2591作為射頻放大前端和CC2530相配合，設(shè)計為一個獨立的無線串口透傳模塊，通過RXD、TXD與微控制器進(jìn)行通訊即可。

3 現(xiàn)場采集終端的軟件設(shè)計

各現(xiàn)場采集終端的軟件傳輸、保存等設(shè)計基本相似，流程如圖4所示。其主要區(qū)別在傳感器驅(qū)動部分，輸出信號不同則采用的傳感器驅(qū)動方式不同。采用的傳感器輸出信號包括單總線、I2C、SPI、串口通信，按照相關(guān)規(guī)則編程直接讀取數(shù)據(jù)即可。

圖4 現(xiàn)場采集終端主程序流程

4 匯總器設(shè)計方案

匯總器選用飛思卡爾K60系列微控制器作為CPU，外接TFT觸摸屏、時鐘模塊、大容量存儲器、獨立按鍵、聲光報警、RS232串口擴(kuò)展等，通過串口和Zigbee協(xié)調(diào)器、GPRS DTU等連接，其構(gòu)成如圖5所示。

圖5 匯總器構(gòu)成

匯總器主要功能是接收現(xiàn)場采集終端發(fā)來的通信協(xié)議，處理和保存相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時顯示及數(shù)據(jù)查詢等，并通過協(xié)議發(fā)送至中心平臺。匯總器主程序流程如圖6所示。

圖6 匯總器主程序流程

5 中心平臺設(shè)計

中心平臺分?jǐn)?shù)據(jù)中心和應(yīng)用中心兩部分。數(shù)據(jù)中心通過SOA、Web Service、Web Api向環(huán)境管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，并保持?jǐn)?shù)據(jù)一致，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。應(yīng)用中心采用B/S架構(gòu)，用戶使用瀏覽器即可完成各項操作。通過對環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)庫、環(huán)境敏感點數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和挖掘，建立分析模型，對污染源進(jìn)行溯源，并形成結(jié)果上傳數(shù)據(jù)中心[3]。

5.1 溯源算法模型

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ 633-2012），空氣質(zhì)量指數(shù)（簡稱AQI）是根據(jù)PM10、PM2.5、SO2等污染物對生態(tài)、環(huán)境的影響，將常規(guī)監(jiān)測的空氣污染物濃度簡化成的單一概念性指數(shù)，是用于表示空氣污染程度和空氣質(zhì)量狀況的分級指數(shù)。某污染物P的空氣質(zhì)量分指數(shù)（Individual Air Quality Index，簡稱IAQI）算法如公式（1）所示：

式中：P為某污染物項目指標(biāo)，如PM10、PM2.5、SO2等；IAQIP為污染物P的分指數(shù)；AQIP為IAQIP中最大值；CP為污染物P的質(zhì)量濃度；BPHI為限值表中與CP相近的濃度限值的高位值；BPLO為限值表中與CP相近的濃度限值的低位值；IAQIHI為限值表中與BPHI對應(yīng)的分指數(shù)；IAQILO為限值表中與BPLO對應(yīng)的分指數(shù)。各項污染物的AQI、API分級濃度限值分別參照GB3095-2012）、GB3095-1996。

通過式（1），根據(jù)某一大氣監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，計算得PM2.5、PM10等對應(yīng)的空氣質(zhì)量分指數(shù)，從而算得該大氣監(jiān)測點的空氣質(zhì)量指數(shù)AQI，得到圖7所示曲線圖。關(guān)聯(lián)查詢同一時段內(nèi)周邊其他無組織排放的監(jiān)測數(shù)據(jù)、邊界監(jiān)測數(shù)據(jù)，比較不同監(jiān)測點濃度曲線的相似度，可實現(xiàn)污染溯源。

圖7 大氣監(jiān)測點AQI曲線

5.2 空氣污染云圖

依據(jù)所計算的各大氣站AQI數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象五參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓）生成區(qū)域內(nèi)污染云圖如圖8所示。

圖8 區(qū)域空氣污染云圖

5.3 空氣污染溯源路線

空氣污染溯源可分三步：

第一步，定向鎖定異常因子。通過風(fēng)向風(fēng)速預(yù)測污染物傳輸軌跡，模擬計算污染來源及方向，結(jié)合氣態(tài)因子庫，圈定疑似排污企業(yè)。

第二步，定位定向溯源，確定污染企業(yè)。對疑似企業(yè)及周邊進(jìn)行異常因子監(jiān)測，確定排污企業(yè)，縮小現(xiàn)場排查范圍。

第三步，定點抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域，排查鎖定污染點位。通過便攜設(shè)備對排查范圍內(nèi)的疑似污染源逐一排查，鎖定問題點位。

5.4 技術(shù)路線

中心平臺軟件分?jǐn)?shù)據(jù)中心和應(yīng)用中心軟件兩部分，其中，數(shù)據(jù)中心軟件基于.net core，運(yùn)用C#語言和VS2019開發(fā)環(huán)境設(shè)計，包括數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理，實時接收各大氣監(jiān)測點的數(shù)據(jù)并處理保存，提供給應(yīng)用中心。

數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場大氣監(jiān)測點的通信協(xié)議包括控制協(xié)議和監(jiān)測協(xié)議，均建立在TCP/IP協(xié)議和國標(biāo)HJ/212-2017協(xié)議之上。控制協(xié)議包括修改數(shù)據(jù)上傳間隔、大氣監(jiān)測點參數(shù)設(shè)定、對大氣監(jiān)測點的反控等通信協(xié)議。監(jiān)測協(xié)議包括傳送實時數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報警信息等通信協(xié)議。

應(yīng)用中心分為前端和后端，其中，前端采用vue開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為HBuilderx，后端基于.net core，運(yùn)用C#開發(fā)[4]，開發(fā)環(huán)境為VS2019，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2012系統(tǒng)，其技術(shù)路線如圖9所示。

圖9 應(yīng)用中心技術(shù)路線

5.5 系統(tǒng)測試

按照國家JCC/I201009.1-2017《揚(yáng)塵在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測方法》和CCAEPI-RG-Y-030-2016《粉塵噪聲在線監(jiān)測系統(tǒng)》等要求和測量方法進(jìn)行應(yīng)用測試，其精度要求和實測結(jié)果見表1。由表1可見，系統(tǒng)性能完全符合實際應(yīng)用要求。

表1 性能指標(biāo)測試結(jié)果

6 結(jié)束語

結(jié)合大氣環(huán)境監(jiān)測需求，給出一種環(huán)境監(jiān)測及污染溯源的實現(xiàn)方案，并從硬件選擇到軟件設(shè)計探討設(shè)計思路。測試表明，該方案通過采集多種信息，結(jié)合相關(guān)算法，進(jìn)行實時監(jiān)測和污染溯源及預(yù)防，實測結(jié)果均符合相關(guān)精度要求，可為環(huán)保部門進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控、污染治理、環(huán)境質(zhì)量改善提供新的技術(shù)手段。