環境監測數據采集管理系統的設計與實現

張毅

(廣東環境保護工程職業學院， 先進制造學院， 廣東， 佛山 528216)

0 引言

生態環境部于2016年發布的《生態環境大數據建設總體方案》指出，生態環境大數據平臺由基礎設施層、數據資源層和業務應用層構成。其中，大數據管理平臺是數據資源層為大數據應用提供統一數據采集、分析和處理等支撐服務。當前研究大都關注數據采集、數據傳輸及數據存儲與應用方面，如：高萌萌等[1]討論了基于NB-IoT的區域空氣質量監測系統設計與實現;孫彩萍等[2]關注環境數據采集后共享平臺的建設。對采集設備遠程管理、監控預警管理功能少有研究。為此，構建集成數據采集、設備管理、實時監控、狀態預警等功能于一體的環境監測管理系統具有現實價值，能為環境大數據平臺建設提供數據資源保障，同時也能對污染企業進行有效監管。

1 系統設計

1.1 系統整體架構

環境監測系統的總體架構一般分為感知層、傳輸層、平臺層和應用層[3]。環境監測數據采集管理系統利用各種環境感知測量設備對環境信息進行測量，并將包含測量信息、測量裝置的位置信息及運行狀態的數據包上傳到服務器，并通過客戶端進行分析與管理。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

環境測量裝置集成多組傳感器，用于采集環境數據，如表1所示。通過LTE網絡或Internet將其傳輸至環境監測管理平臺。

表1 環境數據采集傳感器模塊

環境監測管理軟件是系統的平臺層軟件，提供了對采集到的環境數據進行存儲、管理及對采集設備進行遠程管理的功能。軟件平臺采用C/S架構，結合基于C#.net技術的Winform系統開發框架進行設計與開發。

1.2 平臺功能模塊設計

環境監測管理平臺主要分為數據管理模塊和采集設備管理模塊兩大部分，數據管理模塊是主要實現對環境數據的查詢、統計、管理及可視化，采集設備管理模塊主要實現對設備的遠程控制與管理。平臺框架如圖2所示。

圖2 環境監測管理平臺整體框架

1.2.1 環境數據管理功能模塊

環境要素監測子模塊提供常規信息查看，包括對應風、氣溫、降水以及各種氣體的數據信息，在統計頁面可以對日最大降水及統計值等進行查看操作，同時可進行報警信息查看。

環境數據管理子模塊對環境數據綜合管理，實現數據曲線、站點信息、視頻監控功能。數據曲線包括序號、監測時間以及對應監測環境數據時的均值查看，可對報警信息進行設置。可通過站點信息欄查看進行監測的站點信息，可通過視頻監測進行視頻監測操作。

環境數據統計子模塊實現對數據的顯示設置功能，可對序號、名稱、單位、顯示名稱、排序方式、報表統計方式進行修改和設置。

實時數據曲線子模塊實現具體環境數據的可視化，可通過監測曲線查看所監測的要素變化狀況，包括對應實時數據、歷史數據的曲線變化情況的查看。

1.2.2 采集設備管理功能模塊

網絡連接子模塊實現對通信方式的設置與管理。通過管理列表，可以對通信的主通道與輔通道接口進行設置，包括連接名稱、IP地址、服務器路徑、用戶名及密碼。

運行設置子模塊實現對監測平臺運行狀況的設置，包括采集控制、自動站數據、系統參數的設置。采集控制實現采集方式的設置，如實時采集、定時采集、時間同步。自動站數據設置環境數據的備份頻率，系統參數設置參數備份頻率。

設備管理子模塊實現對監測設備的綜合管理，包括對應的設備名稱和序列號、對應監測通道等進行設置操作。

報警參數設置子模塊實現對報警條件的設置與管理，包括設置報警信號接受方式的參數與報警條件參數。

1.3 數據庫設計

數據庫是平臺的基礎，為平臺內數據提供較好的存儲模式和交換模式。環境監測管理屬于分階段完成的綜合事務，選用關系數據庫，可為環境監測流程和事務動態管理的數據存儲提供較好支撐[4]。本平臺的數據庫設計E-R圖如圖3所示，建立的基礎數據表有監測站表、監測設備數據表、環境數據表以及管理員用戶表。

圖3 環境監測管理平臺數據庫設計E-R圖

2 系統實現

2.1 數據采集與傳輸實現

通過傳感器采集的環境數據用TCP協議封裝環境測量數據包，通過Socket套接字技術進行傳輸，TCP數據包結構如圖4所示。

圖4 環境監測TCP數據包結構圖

Socket套接字可以將2個連入互聯網的進程之間建立聯系，從性質上來看，它屬于一種接口，以抽象層的形式位于TCP/IP協議參考模型中的傳輸層與應用層之間，環境監測系統可采用Socket來建立傳感器與服務器之間的網絡通信連接[5]。面向TCP協議的Socket的建立步驟：①創建一個Socket；②綁定本機的IP和端口；③利用Listen方法監聽網絡狀況；④監聽到連接，使用Accept方法接收并建立連接，隨即使用Send/Receive方法執行操作；⑤發送完畢，關閉連接。

2.2 平臺的實現

環境監測管理平臺采用C/S模式，開發語言選用C#，在WinForm開發框架下進行開發。WinForm是基于.NET開發平臺的框架，具有3 個重要特點[6]:①Windows 窗體可用于設計窗體和可視控件，以創建豐富的基于 Windows 的應用程序；②提供易于連接 OLEDB 和 ODBC 數據源的數據控件；③Windows 窗體充分利用公共語言運行庫的安全特性。數據庫管理系統選用SQL Server 2016，Web服務器采用Apache HTTP服務。平臺以Microsoft Visual Studio為工具進行開發。

2.2.1 環境數據管理模塊實現

環境數據管理模塊主要實現數據的讀取和現實。使用SQLDataAdapter對象獲取數據并填充DataSet，通過DataSet為DataTable賦值，最后綁定到DataGridView控件中，實現對環境要素包括風速、溫度、濕度、氣壓、降水量、大氣數據、可吸入顆粒物數據的讀取，使用OLEDB連接數據庫。連接的關鍵代碼如圖5所示。

圖5 數據庫連接關鍵代碼

圖形效果處理主要采用GDI+圖形設備接口所提供的類來實現，如Graphics類、Bitmap類、Font類、Icon類、Image類、Pen類、Color類，以及從Brush類繼承的類等。曲線是反應環境數據實時變化最直觀的方式。設置定時器，采用Chart 控件繪制實時曲線，從數據庫讀取環境數據，用于填充曲線。所實現的環境要素模塊可視化效果如圖6所示。

2.2.2 平臺管理模塊實現

平臺管理模塊主要通過參數的輸入、修改來實現平臺管理，開發中綜合使用TextBox、RichTextBox、ComboBox、ImageList、PitureBox、ListView列表視圖控件等，實現了文本輸入與顯示和圖像的排列與布局。實現的采集設備管理模塊如圖7所示。

圖6 環境要素子模塊界面

圖7 采集設備管理子模塊界面

報警設置子模塊使用com通信端口發送信息，當環境監測數據不在閾值范圍之內時觸發報警，通過短信的方式發送報警信息。報警管理子模塊如圖8所示。

圖8 報警管理子模塊界面

3 系統測試與分析

對環境監測管理系統已經進行了實際場景下的測試，在廣東環境保護工程職業學院校園內的不同地點布置了6個監測點，通過無線網絡連接了監測設備與環境監測管理平臺，分別對平臺的8個模塊進行了測試，結果顯示平臺能正常接收監測設備發送的各類環境數據，平臺能對環境數據進行展示和報表打印，平臺能對監測設備進行開和關操作，能對設備進行采集時頻率設置，基本實現了遠程控制和管理功能。經過測試本系統實現了預期設計效果，可用于固定地點的環境數據采集和大氣排放監管。環境監測管理平臺的測試界面如圖9所示。

圖9 環境監測管理平臺測試界面

4 總結

本研究聚焦環境監測中的數據采集及設備管理的問題，設計并實現了一套整合了環境數據采集與管理功能于一體的系統，系統分為采集端和平臺端，采集端面向環境數據包括溫度、濕度、CO、O3、VOCs、NO2、SO2、PM10/PM2.5信息，采用TCP協議及Socket技術實現數據傳輸，平臺端采用C/S模式，提供環境數據的管理、采集設備的管理功能服務。本系統可應用于區域環境數據的采集、管理和研究，對于推進區域生態環境大數據建設有積極作用。