江蘇省生態環境監控中心 寇曉芳 南京云創存儲科技有限公司 曹騮
摘 要：本文介紹了江蘇環保1831物聯網平臺建設的試點情況,通過大規模布設特征因子檢測器、PM2.5空氣質量傳感器、視頻監控攝像頭等儀器，建立了一套基于云計算平臺的空氣質量監測預警系統，和現有的空氣環境自動監測系統形成互補，滿足環保部門對環境監控的需求，并為環保行政執法提供信息化支持。
關鍵詞：云計算；物聯網 ；空氣質量傳感器
0 引言
隨著工業化的不斷發展，環境污染也日趨嚴重，空氣中的細顆粒物（PM2.5）濃度越來越高，多個城市霧霾頻發，公眾對于空氣質量的關注度不斷提升，而目前許多城市的環境空氣監測中心站點較少，加之信息化水平不夠發達，難以滿足公眾詳細了解空氣質量狀況的需求。大量增加空氣監測站點部署、廣泛開展空氣質量監測的重要性日益突出，而一套傳統的空氣質量監測儀器動輒需要數十萬美金，價格非常昂貴，建設更多的環境監測站點需要巨大的資金投入，成本太高。
江蘇省環保廳選取昆山市千燈鎮化工園區作為1831物聯網建設的試點區，在重點污染區域大規模部署環境質量檢測傳感器，通過后臺云計算（數據立方）和空氣質量檢測預警平臺，分析處理大規模的空氣質量檢測數據,可以做到及時的預警，很大程度降低對環境的危害。通過海量歷史數據智能分析，能夠檢測到工業區的污染過程和追溯污染源頭，再結合視頻攝像頭攝錄到的污染視頻錄像，更方便環保部門管理和整頓，做到執法有據。
利用這些特征因子采集器結合很新云計算檢測系統，既能夠解決資金投入問題，又能滿足一定的測量精度，和現有的空氣環境自動監測系統形成互補，滿足環保部門對環境監控的需求，并為環保行政執法提供信息化支持。
1 系統簡介
1.1 系統框架
空氣質量云監控平臺通過前端特征因子采集設備和PM2.5檢測設備，采集到相關的信息，通過GPRS進行無線數據傳輸，在有公網IP的服務器上進行數據接收和初步的處理，然后數據存入數據立方進行存儲和計算，可以檢測到每個點的污染情況，并通過視頻攝像終端設備拍攝下排放污染的整個過程，經過Web服務器和視頻服務器進行數據的很后處理和公布，在Web頁面和移動終端可以實時的查看了解所有監測點的監控視頻和空氣質量實時和歷史數據，做到“有圖有真相”，為環保部門管理和整頓整個工業區的環境做好技術支持。軟件是該系統的靈魂，控制著前端數據的采集、中間數據的傳輸、管理平臺的數據處理、預警系統的運行及預警處理預案的啟動。
系統總體架構見下圖。
圖1 空氣質量云監控平臺總體架構
1.2前端采集設備
空氣質量前端采集設備主要是由電源模塊、采集模塊和通信模塊三大模塊組成，前端采集設備內部架構詳見圖2。
圖2 前端采集設備架構
通過特征因子檢測儀器以及PM2.5監測設備，可以監測大氣中的主要污染因子，如PM2.5、NO2、SO2、NH3以及硫化氫氣體等。
該平臺采用美國很新研制的微處理器及 Zigbee 等技術做無線傳輸，并與很新的系統集成技術、應用軟件和網絡傳輸、射頻技術和底層軟硬件控制技術相結合，通過該特征因子傳感器可以監測大量的空氣污染特征因子。
1.3后端云監測預警平臺
后端系統平臺總體架構如下圖所示：
圖3 后端系統平臺架構
前端采集設備采集的空氣特征參數通過GPRS等無線方式傳送到數據接入服務器，通過空氣質量云監測預警平臺的智能分析處理，將實時的預警信息通過郵件、APP推送、短信提醒等方式發送給行政執法者，通過空氣質量監測預警平臺與原有的視頻監控平臺結合更能夠及時的攝錄破壞環境的違法行為，真正做到執法有據、違法必究。對海量歷史和實時數據的智能分析，很終通過Web網頁、移動終端展示給很終用戶，為科學分析環境污染趨勢、領導決策和行政執法提供有力的技術支持。
1.4系統特點
1.4.1價格低廉，可以大規模部署
空氣質量傳感設備價格只有傳統大氣監測設備的幾分之一，無需花費大量經費即可滿足空氣質量監測、數據傳輸功能，可以大規模部署，和現有的環境空氣監測站點形成有利互補，對空氣質量數據發布有參考意義。
1.4.2云計算海量數據處理技術
架構云計算海量數據處理平臺，采用先進的云計算處理技術，支持自動容錯和動態擴展，具有實時性、高可靠性、可伸縮性、高性價比等特點。
1.4.3實時性
測定速度快，自動化程度高。測試方法決定了測試的實時性，采集時間實現秒級響應，且采集時間可以任意設定，采集的數據實時入庫，可實時查詢。
1.4.4采集數據的準確性
采集的數據經過準確的校準，且靈敏度很高，和環保部門發布的空氣質量數據及趨勢接近，數據真實有效。
1.4.5實時推送通知
通過對系統設置閾值，超過該值就第一時間告警，并實時的通過郵件、App推送、短信等形式通知行政執法人員。
1.4.6擴容性
空氣質量監測前端設備可以根據需求進行增加，擴展整個系統的覆蓋面積，但是不需要繼續復雜的操作，可以動態的增加空氣質量測試的節點，并能自動組網，具有很強的擴容性。
1.4.7數字web展示
通過web或手機終端就可以查看每個監測點周邊，以及整個地區的空氣質量狀況
圖4 Web展示樣例
1.5技術優勢
1.5.1云計算平臺技術優勢
1.歷史監控數據匯總
能夠對千億級的海量歷史監控數據進行匯總處理。
2.原始監控數據上報
能夠對千億級的海量監控數據進行上報處理。
3.原始數據實時入庫、生成索引
能夠對流量超過10000條/min的全量原始監控數據流進行實時處理。
4.數據存儲、計算
能夠存儲千億級別的數據，完成各種復雜業務應用計算。
5.數據秒級查詢能力
高效索引算法，智能化調度任務系統，滿足秒級查詢速度。
6.實時業務響應
高效實時數據通道，對于實時監控、告警等實時業務，提供秒級響應時間。
1.5.2監測儀器技術優勢
1.無線傳感網絡節點間可進行長距離的傳輸，國內很多50m，Corssbow 為150m。而該平臺在節點間無阻擋時理論距離為30000m， 有阻擋為500～1000m，具有極高的性價比。
2.能耗低，國外同類產品發射電流消耗為20mA，該平臺僅為0.5mA。
3.節點數多，國外一般150個, 該平臺可擴充至10000個以上。
4.系統精度高，與現有的昂貴的監測設施的測量值有較好的吻合度，且時效性更強，如圖5所示：
圖5 與傳統監測設施的對比
5.安全系數高，由于提供了數據完整性的檢查和鑒權功能，加密算法采用了AES-128，具有高度的保密性。
6.系統可靠性高，由于采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通訊業務預留了專業時隙，避免了發射數據時的競爭和沖突，而且節點模塊之間具有自動動態組網的功能， 信息在整個網絡中通過自由路由的方式進行傳輸，從而保證了信息的可靠性。
7.系統時延短，針對時延敏感的運用做了優化，通訊時延和從休眠狀態激活的時延非常短。
2結語
作為江蘇環保1831物聯網建設的試點，在江蘇省昆山市千燈鎮工業園區建立的這套基于云計算平臺的空氣質量監測預警系統，以“先進、安全、成熟、開放、經濟”為設計原則，布設了幾百個特征因子檢測器、PM2.5空氣質量傳感器、視頻監控攝像頭等儀器，并通過海量科學數據的分析對比，在微觀和宏觀上反映工業園區每個點以及工業園區的整體空氣質量情況，給園區的環境保護提供科學有效的信息化支持，取得了很好的經濟效益和社會效益。
參考文獻
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