基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董天天 沙晶晶 周洋

摘 要 為了實(shí)現(xiàn)信息的高速獲取和交換，使人類(lèi)生產(chǎn)和生活具有更高的智能化的目的;提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)包括氣象要素：溫度（AM2320）、濕度（AM2320）、氣壓（BMP180）、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量六種模塊傳感器和樹(shù)莓派網(wǎng)關(guān)控制器、存儲(chǔ)卡、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（oneNet）。采用六種環(huán)境傳感器對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)TensorFlow數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)集預(yù)訓(xùn)練模型輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后輸出預(yù)測(cè)值發(fā)布預(yù)警信息，最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行HTTP協(xié)議遠(yuǎn)程發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及預(yù)警信息，為氣象部門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供保障。

關(guān)鍵詞 氣象要素;多傳感器融合;數(shù)據(jù)處理;物聯(lián)網(wǎng);氣象監(jiān)測(cè)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及人類(lèi)活動(dòng)的加劇，導(dǎo)致自然界環(huán)境遭到破壞，人類(lèi)自身生存的環(huán)境也遭到破壞，環(huán)境不斷惡化。為進(jìn)一步做好全國(guó)環(huán)境保護(hù)污染自動(dòng)監(jiān)測(cè)控體系建設(shè)，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，增強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可比性，準(zhǔn)確性和可靠性，根據(jù)《污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法》的有關(guān)要求，借助先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，云平臺(tái)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立全國(guó)性的環(huán)保監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。

引言

智能環(huán)境利用各種傳感器技術(shù)[1]，移動(dòng)計(jì)算，信息融合等技術(shù)對(duì)空氣環(huán)境、海洋環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、城市環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行全面有效地監(jiān)控。通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，輸出預(yù)測(cè)值發(fā)布預(yù)警信息等領(lǐng)域的研究。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：包括溫度（AM2320）、濕度（AM2320）、氣壓（BMP180）、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量六種模塊傳感器、網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）、存儲(chǔ)卡（SD卡）、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（oneNet）。其中，溫度和濕度傳感器（AM2320）采用單總線方式與網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）通信，其作用是探測(cè)大氣環(huán)境的溫濕度信息;氣壓傳感器（BMP180）

采用IIC接口與網(wǎng)關(guān)控制器通信（ARM），其作用是探測(cè)大氣環(huán)境的大氣氣壓;風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過(guò)網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）的AD口讀取風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù);雨量傳感器采用485接口與網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）通信，其作用是監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的降雨量信息;SD存儲(chǔ)卡主要是用來(lái)保存六要素?cái)?shù)據(jù)的信息;物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（oneNet）將遠(yuǎn)程訪問(wèn)、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息及預(yù)警信息，為氣象部門(mén)的實(shí)驗(yàn)分析做好準(zhǔn)備[2]。

2系統(tǒng)工作原理

采用六種環(huán)境傳感器對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)Tensor Flow數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)集預(yù)訓(xùn)練模型輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后輸出預(yù)測(cè)值發(fā)布預(yù)警信息，最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行HTTP協(xié)議遠(yuǎn)程發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及預(yù)警信息，為環(huán)境部門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了保障。該發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集多種傳感器于一身的微型環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)AI技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的氣象探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、智能化低等缺點(diǎn)，并可靈活地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享及預(yù)警信息，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的便捷性好，智能化高等優(yōu)勢(shì)[4]。

3數(shù)據(jù)測(cè)量及處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，將通過(guò)一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式（JSON）進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到理想的數(shù)據(jù)格式后，再通過(guò)Requests.post（）函數(shù)發(fā)送請(qǐng)求，通過(guò)HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程訪問(wèn)及數(shù)據(jù)共享等功能[5]。

3.2 數(shù)據(jù)保存

采用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，首先，通過(guò)open（）函數(shù)新建文本文件，再以‘a(chǎn)追加模式打開(kāi)文本文件，然后調(diào)用write（）函數(shù)向文本文件中寫(xiě)入大氣環(huán)境探測(cè)的數(shù)據(jù)，最后經(jīng)close（）函數(shù)關(guān)閉文本文件，同時(shí)保存文件的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存功能。

4系統(tǒng)測(cè)試

數(shù)據(jù)處理后，要進(jìn)行六要素氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)的設(shè)置[6]。其中，除了風(fēng)向氣象要素僅需要設(shè)置風(fēng)向上下限數(shù)值外，氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速和雨量均需要設(shè)置三項(xiàng)參數(shù)的上、下限值，即“傳感器界限”、“氣候極值”和“氣候?qū)W界限”。其中“傳感器界限”根據(jù)傳感器本身測(cè)量范圍進(jìn)行設(shè)置。“氣候極值”則是根據(jù)當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠?lái)的氣候極大值和極小值。氣候?qū)W界限是根據(jù)氣候?qū)W界的各氣象參數(shù)的極大值和極小值。超過(guò)警戒值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出“滴滴”的報(bào)警聲，此設(shè)置主要是剔除接收的氣象數(shù)據(jù)中明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，同時(shí)，也便于對(duì)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的進(jìn)一步優(yōu)化和處理。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“保存更改”按鈕即可完成設(shè)置。

5結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案選擇與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)測(cè)試，可以完成氣象要素?cái)?shù)據(jù)的采集和傳輸，系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。在處理大氣環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)實(shí)時(shí)查看的便捷性和數(shù)據(jù)共享的有效性，增強(qiáng)了智能化設(shè)計(jì)，但還需要注意氣象要素采集的數(shù)據(jù)精度問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

董天天，男;學(xué)歷：碩士研究生，職稱(chēng)：教師，現(xiàn)就職單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電子信息工程學(xué)院，研究方向：模式識(shí)別與智能系統(tǒng)。