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江苏科技信息:《基于云计算平台的空气质量监测预警系统》




发布时间: 2014-2-11 13:55:00  

江苏省生态环境监控中心 寇晓芳    南京云创存储科技有限公司 曹骝  

 摘  要:本文介绍了江苏环保1831物联网平台建设的试点情况,通过大规模布设特征因子检测器、PM2.5空气质量传感器、视频监控摄像头等仪器,建立了一套基于云计算平台的空气质量监测预警系统,和现有的空气环境自动监测系统形成互补,满足环保部门对环境监控的需求,并为环保行政执法提供信息化支持。
 关键词:云计算;物联网 ;空气质量传感器

0 引言
    随着工业化的不断发展,环境污染也日趋严重,空气中的细颗粒物(PM2.5)浓度越来越高,多个城市雾霾频发,公众对于空气质量的关注度不断提升,而目前许多城市的环境空气监测中心站点较少,加之信息化水平不够发达,难以满足公众详细了解空气质量状况的需求。大量增加空气监测站点部署、广泛开展空气质量监测的重要性日益突出,而一套传统的空气质量监测仪器动辄需要数十万美金,价格非常昂贵,建设更多的环境监测站点需要巨大的资金投入,成本太高。
    江苏省环保厅选取昆山市千灯镇化工园区作为1831物联网建设的试点区,在重点污染区域大规模部署环境质量检测传感器,通过后台云计算(数据立方)和空气质量检测预警平台,分析处理大规模的空气质量检测数据,可以做到及时的预警,很大程度降低对环境的危害。通过海量历史数据智能分析,能够检测到工业区的污染过程和追溯污染源头,再结合视频摄像头摄录到的污染视频录像,更方便环保部门管理和整顿,做到执法有据。
利用这些特征因子采集器结合很新云计算检测系统,既能够解决资金投入问题,又能满足一定的测量精度,和现有的空气环境自动监测系统形成互补,满足环保部门对环境监控的需求,并为环保行政执法提供信息化支持。
1 系统简介
1.1 系统框架
    空气质量云监控平台通过前端特征因子采集设备和PM2.5检测设备,采集到相关的信息,通过GPRS进行无线数据传输,在有公网IP的服务器上进行数据接收和初步的处理,然后数据存入数据立方进行存储和计算,可以检测到每个点的污染情况,并通过视频摄像终端设备拍摄下排放污染的整个过程,经过Web服务器和视频服务器进行数据的很后处理和公布,在Web页面和移动终端可以实时的查看了解所有监测点的监控视频和空气质量实时和历史数据,做到“有图有真相”,为环保部门管理和整顿整个工业区的环境做好技术支持。软件是该系统的灵魂,控制着前端数据的采集、中间数据的传输、管理平台的数据处理、预警系统的运行及预警处理预案的启动。
系统总体架构见下图。

                                                                                                                            图1  空气质量云监控平台总体架构
1.2前端采集设备
    空气质量前端采集设备主要是由电源模块、采集模块和通信模块三大模块组成,前端采集设备内部架构详见图2。

 


                                                                                                                            图2  前端采集设备架构
    通过特征因子检测仪器以及PM2.5监测设备,可以监测大气中的主要污染因子,如PM2.5、NO2、SO2、NH3以及硫化氢气体等。
该平台采用美国很新研制的微处理器及 Zigbee 等技术做无线传输,并与很新的系统集成技术、应用软件和网络传输、射频技术和底层软硬件控制技术相结合,通过该特征因子传感器可以监测大量的空气污染特征因子。
1.3后端云监测预警平台
    后端系统平台总体架构如下图所示:

                                                                                                                               图3  后端系统平台架构
    前端采集设备采集的空气特征参数通过GPRS等无线方式传送到数据接入服务器,通过空气质量云监测预警平台的智能分析处理,将实时的预警信息通过邮件、APP推送、短信提醒等方式发送给行政执法者,通过空气质量监测预警平台与原有的视频监控平台结合更能够及时的摄录破坏环境的违法行为,真正做到执法有据、违法必究。对海量历史和实时数据的智能分析,很终通过Web网页、移动终端展示给很终用户,为科学分析环境污染趋势、领导决策和行政执法提供有力的技术支持。
1.4系统特点
1.4.1价格低廉,可以大规模部署
    空气质量传感设备价格只有传统大气监测设备的几分之一,无需花费大量经费即可满足空气质量监测、数据传输功能,可以大规模部署,和现有的环境空气监测站点形成有利互补,对空气质量数据发布有参考意义。
 1.4.2云计算海量数据处理技术
    架构云计算海量数据处理平台,采用先进的云计算处理技术,支持自动容错和动态扩展,具有实时性、高可靠性、可伸缩性、高性价比等特点。
1.4.3实时性
    测定速度快,自动化程度高。测试方法决定了测试的实时性,采集时间实现秒级响应,且采集时间可以任意设定,采集的数据实时入库,可实时查询。
1.4.4采集数据的准确性
    采集的数据经过准确的校准,且灵敏度很高,和环保部门发布的空气质量数据及趋势接近,数据真实有效。
1.4.5实时推送通知
    通过对系统设置阈值,超过该值就第一时间告警,并实时的通过邮件、App推送、短信等形式通知行政执法人员。
1.4.6扩容性
    空气质量监测前端设备可以根据需求进行增加,扩展整个系统的覆盖面积,但是不需要继续复杂的操作,可以动态的增加空气质量测试的节点,并能自动组网,具有很强的扩容性。
1.4.7数字web展示
    通过web或手机终端就可以查看每个监测点周边,以及整个地区的空气质量状况

                                                                                                                                     图4  Web展示样例
1.5技术优势
1.5.1云计算平台技术优势
    1.历史监控数据汇总
    能够对千亿级的海量历史监控数据进行汇总处理。
    2.原始监控数据上报
    能够对千亿级的海量监控数据进行上报处理。
    3.原始数据实时入库、生成索引
    能够对流量超过10000条/min的全量原始监控数据流进行实时处理。
    4.数据存储、计算
    能够存储千亿级别的数据,完成各种复杂业务应用计算。
    5.数据秒级查询能力
    高效索引算法,智能化调度任务系统,满足秒级查询速度。
    6.实时业务响应
    高效实时数据通道,对于实时监控、告警等实时业务,提供秒级响应时间。
1.5.2监测仪器技术优势
    1.无线传感网络节点间可进行长距离的传输,国內很多50m,Corssbow 为150m。而该平台在节点间无阻挡时理论距离为30000m, 有阻挡为500~1000m,具有极高的性价比。
    2.能耗低,国外同类产品发射电流消耗为20mA,该平台仅为0.5mA。
    3.节点数多,国外一般150个, 该平台可扩充至10000个以上。
    4.系统精度高,与现有的昂贵的监测设施的测量值有较好的吻合度,且时效性更强,如图5所示:
 

                                                                                                                             图5  与传统监测设施的对比
    5.安全系数高,由于提供了数据完整性的检查和鉴权功能,加密算法采用了AES-128,具有高度的保密性。
    6.系统可靠性高,由于采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通讯业务预留了专业时隙,避免了发射数据时的竞争和冲突,而且节点模块之间具有自动动态组网的功能, 信息在整个网络中通过自由路由的方式进行传输,从而保证了信息的可靠性。
    7.系统时延短,针对时延敏感的运用做了优化,通讯时延和从休眠状态激活的时延非常短。

2结语
    作为江苏环保1831物联网建设的试点,在江苏省昆山市千灯镇工业园区建立的这套基于云计算平台的空气质量监测预警系统,以“先进、安全、成熟、开放、经济”为设计原则,布设了几百个特征因子检测器、PM2.5空气质量传感器、视频监控摄像头等仪器,并通过海量科学数据的分析对比,在微观和宏观上反映工业园区每个点以及工业园区的整体空气质量情况,给园区的环境保护提供科学有效的信息化支持,取得了很好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 刘方,王瑞斌,李钢.中国环境空气质量监测现状与发展. 中国环境监测[J ] ,2004(20):9-10.
[2] 刘鹏. 云计算(第二版)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011. 1-15

 

 

 

 

 

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