基于物联网技术的跨区域气象环境污染监测系统

摘要：在气象污染方面，不同区域气象环境污染不同，各个地区的信息关联性微弱，导致现地区气象环境污染指数测量设备无法对其他区域污染信息准确检测，因此，本文通过提出以物联网技术为支持的跨区域气象环境污染监测系统，提出软硬件设计方式，系统以分层、模块、网络结构的物联网，通过以HMP45D传感器为基础的污染信息采集系统及以S3C2410处理器为基础的信息处理系统组成，各系统可单独运作，且系统设计MMA7260传感节点加速器加入到节点中，克服跨区域导致的湿度传感器误差，设计防治信号冲突软件，确保系统实用性。

关键词：物联网;跨区域;气象环境;污染监测;数据处理

中图分类号：X831 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）02-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.02.086

Abstract： In terms of meteorological pollution， the meteorological environment pollution in different regions is different， and the information correlation in each region is weak. As a result， the meteorological environmental pollution index measurement equipment in the current region cannot accurately detect the pollution information in other regions. Therefore， this article proposes to take the Internet of Things technology as the Supports a cross-regional meteorological and environmental pollution monitoring system. A software and hardware design method is proposed. The system uses a layered， modular， and network-structured Internet of Things. It uses a HMP45D sensor-based pollution information collection system and an S3C2410 processor-based information processing system. Composition， each system can operate independently， and the system design MMA7260 sensor node accelerator is added to the node to overcome the humidity sensor error caused by cross-regions， design software to prevent signal conflicts， and ensure system practicality.

Keywords： Internet of Things; Cross-region; Meteorological environment; Pollution monitoring; Data processing

社會发展产生严重气象环境污染问题，影响人们正常生活，需对气象环境污染信息收集，对空气环境评估，制定治理污染有效方案。当下，气象环境污染信息收集主要以人工观测完成，时效性差、恶劣环境无法准确收集信息，故需构建一体化自动气象环境污染数据采集系统[1]。

1 系统原理

以物联网技术为支持的气象环境监测系统考虑到气象污染数据的多样性、复杂性，系统较大范围设置不同类传感器，可对多样数据及时、准确传递，通过多样化传感器组网，准确收集数据[2]。物联网信息收集包含可收集空气污染信息的传感器节点，节点相互传递信息，以无线网络通信和末端外围设备构成系统，实现跨区域污染信息监测。系统收集整体污染信息，而后将多范围信息汇总，传递给控制终端分析处理。

2 物联网污染信息采集系统硬件平台设计

2.1 监测中无线传感器节点硬件

污染信息收集传感器节点是系统核心，传感器节点由不同属性信息操作模块构成，信息操作模块相互联系，完成节点操作[3]。其中，污染信息收集上：模块收集大范围污染信息，涵盖多种范围污染信异常变化信息收集。信息差异运算模块：对收集的污染信息干扰因素充分过滤，保存正确污染信息。信息差异运算可融合不同差异的污染信息，以无线传输到下级模块[4]。

信息通信模块：联系不同传感器节点，传递污染信息、差异信息及异常，为系统提供全面信息，确保监测的有效性及精准性。

2.2 信息传递加速传感器设计

基于物联网技术的跨区域气象环境污染监测系统其“跨区域”是一特色，系统跨区域运行，易导致传感器高、中湿校准点出现较大误差。只有保证信息高效传输，才能确保监测系统稳定运行。为减少传感器跨区域导致的误差，设计在系统硬件加入MMA7260Q（加速度传感器），提高监测系统运行可靠性[5]。MMA7260Q自身为单芯片结构，可收集信号传递加速度，针对速度控制信号传递，确保网络信息高速、安全传输。此外，MMA7260Q自身运行原理简单，消耗能量较少，有出色的抗干扰能力，其芯片属性分为1.6、3、5g可选，运行的能量仅为620μA，停止运行耗能仅为2μA。在电压方面，运行电压处于3.5～4.7V之间，使用安全。灵敏度方面，MMA7260Q可以收集750mV/g·1.6g信号变化，灵敏度突出。

3 软件设计

3.1 数据查询人机接口模块

人机接口模块上，可以为用户及系统之间数据信息交互提供直观显示，以面对对象为基本原理，按照用户的实际需求，落实对应设计。用户在人机接口模块支持下，可以对显示的数据进行切实分析，了解气象环境现状。设备上显示的数据信息主要是最底层搜集到的信息的集中展示。底层数据中包含系统时间、污染指数、近距离及远距离的污染指数等。通过数据融合算法，可有效获取所需数据，分析空气污染程度，针对温差确定天气情况。

3.2 污染指数显示

污染指数显示上，主要包含污染信息及历史污染数据显示。污染指数上显示当下环境污染及两年内的环境污染信息，为用户进行有效分析及判断奠定数据基础。

3.3 气象污染数据储存模块

储存模块主要对数据有效储存，传感器节点搜集到的数据储存在此，为日后气象分析提供数据支持。储存模块分析当下信息库及历史信息库，当下信息库提供记录监测到的数据，以不同形式呈现给用户，多采用动态曲线方式呈现出来，部分数值信息则通过文本形式保存到历史信息库中。

4 系统实现及实际应用分析

为分析以物联网为支持的空气污染监测系统是否具有可行性及先进行，需对其实际应用进行相应试验。试验从当地气象管理部门采集样本数据，为两个不同区域、不同范围空气污染信息。试验通过IDATA平台仿真技术落实，检测对应样本数据，检测系统软件参数为：（1）误差监测收集橫跨范围：650km;（2）传感器最大间距：0.345m;（3）传感器最小间距：0.006m;（4）收集环境平均温度：13.18℃。

经运算得到无线传感器传播速度为1012.2m/s。试验考虑到室外环境中污染颗粒富含多种物质，可能导致传感信号受到不良影响，导致监测出现较大误差，故将污染程度测量公式融入到实际误差分析中：

（其中，为环境跨区污染指数误差数据）

系统对远程污染颗粒浓度收集，确保系统搜集到的空气污染信息的全面性及有效性，可对异常污染出现及时预警。系统对跨区域污染程度颗粒浓度的实际检测曲线如图1所示。

通过图1分析得到，采用上文所述的系统对最高空气污染浓度检测，位于650m位置，实际上最高空气污染浓度在645m位置。由此可见，采用上述系统收集的空气数据存在相对误差，误差在1%，也就是说，文章提出以物联网技术为基础的空气污染检测系统具有及时性、准确性，且系统性能良好。由此可见，文章提出的基于物联网空气污染监测系统可准时监测对应空气污染信息，可应用到相关实践中去。

5 结语

综上所述，文章以物联网技术为支持，提出一种跨区域的信息采集气象环境污染信息监测系统，并通过IDATA平台仿真测试分析，发现系统精确度满足要求。

参考文献

[1]綦亮，武枝，盛有锡，et al.基于物联网技术的地质环境监测系统平台开发[J].网络安全技术与应用，2017（10）：152-153.

[2]中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所.作物生长环境监控物联网系统应用[J].农业工程技术，2017，37（6）：56-59.

[3]吴林.基于物联网技术的生态环境监测应用研究[J].信息系统工程，2017（9）：32-32.

[4]吴珊珊，刘清闯，王书旺，et al.基于物联网的水体环境监测无人船的设计[J].数字技术与应用，2017（5）：165-166.

[5]陈明武，唐桂林.基于物联网技术的非接触式高温工业炉监测系统[J].河北北方学院学报：自然科学版，2019（5）：42-45.

收稿日期：2019-12-02

作者简介：罗芳（1985-），女，汉族，硕士研究生，中级职称，研究方向为环境监测、环境管理等。