基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的云端空氣質(zhì)量檢測(cè)管理系統(tǒng)

劉璇 張露娟

摘?要：本文提出的空氣質(zhì)量檢測(cè)管理系統(tǒng)，以云端在線的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。通過(guò)有針對(duì)性地在生產(chǎn)生活環(huán)境中布設(shè)傳感器，分時(shí)段、分地點(diǎn)采集溫濕度、水質(zhì)、PM2.5以及PM10特征值，設(shè)置了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集模塊，將傳統(tǒng)生產(chǎn)生活中的孤島數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、保存到遠(yuǎn)程云端數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)和云端的低成本物聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量監(jiān)管系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和可視化處理，為社會(huì)大氣環(huán)境的監(jiān)管決策提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持和各種便捷可靠的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：云端在線;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)分析

1.引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國(guó)很多地區(qū)的空氣質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，不少區(qū)域已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的以PM2.5和臭氧為主要污染物的大氣復(fù)合污染，對(duì)人們的身體健康帶來(lái)極大的危害。空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)是空氣質(zhì)量控制的重要途經(jīng)，在國(guó)外空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)主要是以三維空氣質(zhì)量模型為基礎(chǔ)，例如美國(guó)的城市氣域模型UAM、德國(guó)的EURAD、發(fā)過(guò)的CHIMERE等，美國(guó)ENVIron公司開(kāi)發(fā)的CAMX在美國(guó)很多地區(qū)都有十分廣泛的應(yīng)用，甚至成為全球主流的空氣質(zhì)量檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型[1]。

2.數(shù)據(jù)采集設(shè)備

本文基于環(huán)境保護(hù)主題進(jìn)行云端物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建。經(jīng)過(guò)調(diào)研之后，本文根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要了解了衡量環(huán)境情況的常用指標(biāo)AQI，包括“PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3”。在此基礎(chǔ)上本文選擇了溫濕度傳感器、PM2.5/10傳感器、水質(zhì)傳感器作為系統(tǒng)的傳感器方案。

為了將上述三個(gè)傳感器與系統(tǒng)平臺(tái)連接，本系統(tǒng)購(gòu)置了塔石的無(wú)線數(shù)傳設(shè)備。并將其與三個(gè)傳感器裝置安裝在一起（如圖1所示）。通過(guò)無(wú)線數(shù)傳設(shè)備進(jìn)行了諸如波特率、校驗(yàn)參數(shù)的參數(shù)配置，遵循ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)得以順利傳輸至云端平臺(tái)。

3.數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

本系統(tǒng)采用TASTEK-IOT平臺(tái)和微信小程序平臺(tái)作為云端的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

3.1TASTEK-IOT平臺(tái)

登錄塔石IOT系統(tǒng)之后，在系統(tǒng)中添加產(chǎn)品“監(jiān)測(cè)環(huán)境”，產(chǎn)品類型選擇“ModBus”類型，使用標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議進(jìn)行通訊。根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行ModBus端點(diǎn)的添加，完成云平臺(tái)的設(shè)置。

通過(guò)設(shè)備配置軟件對(duì)設(shè)備啟用IOT云，通過(guò)設(shè)備編號(hào)與設(shè)備密碼的校驗(yàn)建立與云平臺(tái)的連接。設(shè)備上線后可以點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)監(jiān)控”進(jìn)行在線調(diào)試。

3.2微信小程序平臺(tái)

通過(guò)“草料二維碼”網(wǎng)站為平臺(tái)設(shè)備生成唯一二維碼，并通過(guò)微信掃描該二維碼將設(shè)備綁定至“TASTEK IOT”平臺(tái)小程序。

在微信小程序“TASTEK IO平臺(tái)”中掃描該碼可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)設(shè)備的監(jiān)控，實(shí)時(shí)方便地獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如圖2所示）。

4.數(shù)據(jù)管理方式

4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式

本項(xiàng)目基于2019年1月1日到2020年3月31日之間的大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3和空氣質(zhì)量等級(jí)數(shù)據(jù)，將前六維數(shù)據(jù)作為輸入層神經(jīng)元，一個(gè)隱含層，五種質(zhì)量等級(jí)分類作為輸出層。通過(guò)Python構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)空氣質(zhì)量等級(jí)的功能[4]。

經(jīng)過(guò)20000次訓(xùn)練，模型準(zhǔn)確性可達(dá)87%，具有較高參考價(jià)值，可用于實(shí)際實(shí)際生產(chǎn)生活需要，提供必要的天氣質(zhì)量預(yù)測(cè)與相關(guān)活動(dòng)建議。

4.2數(shù)據(jù)可視化

通過(guò)對(duì)大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，使用Python調(diào)用相關(guān)庫(kù)可以繪制雷達(dá)圖直觀展示當(dāng)日大連市的主要污染物情況（如圖3所示）。除了顯示某一城市當(dāng)日污染物情況外，利用數(shù)據(jù)可視化可對(duì)不同城市間環(huán)境情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋蚴菍?duì)同一城市不同時(shí)段進(jìn)行縱向比較。結(jié)果清晰明了，對(duì)于城市評(píng)價(jià)環(huán)保政策實(shí)施效果具有輔助作用（如圖4所示）。

4.3數(shù)據(jù)分析處理

4.3.1傳感器接受數(shù)據(jù)

由于傳感器遵循ModBus協(xié)議進(jìn)行通訊，故其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并非普遍意義上的實(shí)際數(shù)據(jù)，需要根據(jù)ModBus協(xié)議做相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。具體以溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)情況如表所示（讀取設(shè)備地址 0x01 的溫濕度值，問(wèn)詢幀（16 進(jìn)制）如表1所示，應(yīng)答幀（16 進(jìn)制）：（例如讀到溫度為-10.1℃，濕度為 65.8%RH）如表2所示）：

4.3.2數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)可視化

本項(xiàng)目中使用最大-最小標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一處理。最大-最小標(biāo)準(zhǔn)化是對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，設(shè)minA和maxA分別是屬性A的最小值和最大值，將A的一個(gè)原始值x通過(guò)最大-最小標(biāo)準(zhǔn)化映射到區(qū)間[0，1]的值，則公式如下[3]：

由上述數(shù)據(jù)挖掘的處理流程可知，在繪制主要污染物分析的雷達(dá)圖時(shí)，同樣面臨不同評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱不一的問(wèn)題。該問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)圖在某一維度的數(shù)據(jù)尤為突出，使得圖像不夠清晰。同樣，對(duì)輸入數(shù)據(jù)需要進(jìn)行最大-最小標(biāo)準(zhǔn)化法歸一 [5]。

5.系統(tǒng)整體部署

5.1數(shù)據(jù)云端在線管理

通過(guò)塔石無(wú)線數(shù)傳設(shè)備，將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至塔石IOT平臺(tái)。在設(shè)備上線后，用戶僅需要登錄該平臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)指定數(shù)據(jù)的查詢。避免了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)需要工作人員親臨設(shè)備布點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工登記的麻煩，一個(gè)賬號(hào)可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地的數(shù)據(jù)管理。

通過(guò)拓展該平臺(tái)，將設(shè)備與微信小程序綁定，用戶甚至不需要PC端登錄IOT平臺(tái)，僅僅需要一部手機(jī)即可完成讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)的操作。真正實(shí)現(xiàn)云端在線物聯(lián)網(wǎng)管理。

5.2 大氣質(zhì)量智能預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，使用Python調(diào)用相關(guān)庫(kù)可以繪制雷達(dá)圖直觀展示當(dāng)日大連市的主要污染物情況。

除了顯示某一城市當(dāng)日污染物情況外，利用數(shù)據(jù)可視化可對(duì)不同城市間環(huán)境情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋蚴菍?duì)同一城市不同時(shí)段進(jìn)行縱向比較。結(jié)果清晰明了，對(duì)于城市評(píng)價(jià)環(huán)保政策實(shí)施效果具有輔助作用。

6 總結(jié)

本項(xiàng)目針對(duì)生活場(chǎng)景，布設(shè)傳感器并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境完成了溫濕度、PM2.5、PM10、水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，構(gòu)建基于云端的物聯(lián)網(wǎng)空氣環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)。在傳感器設(shè)備成功鏈接到塔石IOT平臺(tái)后，我們通過(guò)該設(shè)備對(duì)大連市一年內(nèi)多時(shí)段、多地點(diǎn)的空氣質(zhì)量進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集模擬，對(duì)此平臺(tái)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由此對(duì)基于大氣質(zhì)量的生產(chǎn)生活活動(dòng)進(jìn)行決策管理。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)可視化的輔助作用，根據(jù)人民生產(chǎn)生活活動(dòng)對(duì)溫濕度、PM2.5、PM10、一氧化碳等環(huán)境參數(shù)的具體要求，及時(shí)對(duì)不符合規(guī)定的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和調(diào)查，確保云端管理在實(shí)際應(yīng)用中能夠真實(shí)有效地反映大氣環(huán)境質(zhì)量環(huán)境并做出及時(shí)有效地管理。

參考文獻(xiàn)

[1]?陳夢(mèng)嬌. 基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程環(huán)保在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)[D].北方工業(yè)大學(xué)，2018.

[2]?吳貴華. 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在環(huán)境保護(hù)綜合管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)，2011.

[3]?李觀松. 城市環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)挖掘與可視化的研究[D].山東大學(xué)，2007.