基于物联网和大数据技术的大气环境监测及溯源

钟久隆，刘卓魁，顾乔轩，顾志勇，吴继梅，黄国平

（1.南通职业大学 电子信息工程学院，江苏 南通 226007；2.江苏尚维斯环境科技有限公司AI研发部，江苏 南通 226017）

随着经济飞速发展，环境保护越来越受到重视。目前，通常通过各种技术手段实现对环境的实时监测和处理，但往往因预警和溯源不足影响处理效果。随着物联网技术、大数据处理和挖掘技术的发展，将所检测的数据经处理和存储并建立相关模型进行深度分析和数据挖掘，可由实时监测拓展到对环境质量的 “更透彻的感知” 。本文拟针对大气环境监测要求，从大气环境参数测量、平台构建和数据挖掘等方面，提出一种大气环境监测及溯源系统实现方案[1]，建立面向对象的业务应用及信息管理平台，以期为环保部门进行环境质量监控、污染溯源和综合防治等提供智能化手段。

1 系统总体结构

如图1所示，系统主要由中心平台、汇总器、现场采集终端三部分构成。中心平台与汇总器之间采用GPRS通讯，汇总器与现场采集终端通过ZigBee无线网络进行通讯[2]。

图1 系统总结构

2 现场采集终端的硬件选择

为便于系统扩展，在设计现场采集终端时，将硬件系统分为信号采集和ZigBee网络传输两部分。其中，信号采集部分以CS32F030C8T6微控制器为核心，与相关传感器连接实现信号控制，得到的数据经ZigBee协调器进行透明传输。

结合具体应用，以具有典型意义的PM2.5、PM10、风速、风向、温湿度、大气压等指标监控为例，给出硬件选择方案。

（1）CS32F030C8T6微控制器

CS32F030C8T6是一款国产Cortex R-M0内核微控制器，内嵌64 Kbytes flash和8 Kbytes SRAM，工作频率可达48 MHz。具有I2C、SPI、USART接口和1路12 bit ADC，7个16 bit定时器等资源，电压为2 V～5.5 V，工作温度为-40℃～85℃，适用于数据采集智能控制。

（2）温湿度传感器检测模块

温湿度传感器选用SHT10，其响应速度快、可靠性高，CS32F030C8T6微控制器采用模拟I2C，由口线直接和SHT10连接即可。温湿度传感器接线如图2所示，其中SCL、SDA为连接的网络号。

图2 温湿度传感器接线

（3）气压传感器检测模块

采用搭载了BMP085的GY-65气压传感器模块，该模块具有微功耗、微体积、精度高、性能好等特点。模块通过I2C总线直接与各种微处理器MCU相连，其电路如图3所示。

图3 气压传感器检测模块电路

（4）PM2.5、PM10检测模块

为提高测量精度，选用英国alphasense公司生产的高精度颗粒物传感器OPC-R2，该传感器能精确检测PM2.5、PM10等颗粒物指标，通过模拟SPI接口与微处理器连接。

（5）风速、风向检测模块

采用带串口的风速、风向传感器，便于通过串口与微处理器进行连接。

（6）Zigbee协调器

Zigbee协调器模块选用CC2591作为射频放大前端和CC2530相配合，设计为一个独立的无线串口透传模块，通过RXD、TXD与微控制器进行通讯即可。

3 现场采集终端的软件设计

各现场采集终端的软件传输、保存等设计基本相似，流程如图4所示。其主要区别在传感器驱动部分，输出信号不同则采用的传感器驱动方式不同。采用的传感器输出信号包括单总线、I2C、SPI、串口通信，按照相关规则编程直接读取数据即可。

图4 现场采集终端主程序流程

4 汇总器设计方案

汇总器选用飞思卡尔K60系列微控制器作为CPU，外接TFT触摸屏、时钟模块、大容量存储器、独立按键、声光报警、RS232串口扩展等，通过串口和Zigbee协调器、GPRS DTU等连接，其构成如图5所示。

图5 汇总器构成

汇总器主要功能是接收现场采集终端发来的通信协议，处理和保存相关数据，进行实时显示及数据查询等，并通过协议发送至中心平台。汇总器主程序流程如图6所示。

图6 汇总器主程序流程

5 中心平台设计

中心平台分数据中心和应用中心两部分。数据中心通过SOA、Web Service、Web Api向环境管理业务系统提供数据，并保持数据一致，实现各业务系统的数据共享。应用中心采用B/S架构，用户使用浏览器即可完成各项操作。通过对环境质量数据库、环境敏感点数据库等进行大数据分析和挖掘，建立分析模型，对污染源进行溯源，并形成结果上传数据中心[3]。

5.1 溯源算法模型

根据环境保护部发布的《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ 633-2012），空气质量指数（简称AQI）是根据PM10、PM2.5、SO2等污染物对生态、环境的影响，将常规监测的空气污染物浓度简化成的单一概念性指数，是用于表示空气污染程度和空气质量状况的分级指数。某污染物P的空气质量分指数（Individual Air Quality Index，简称IAQI）算法如公式（1）所示：

式中：P为某污染物项目指标，如PM10、PM2.5、SO2等；IAQIP为污染物P的分指数；AQIP为IAQIP中最大值；CP为污染物P的质量浓度；BPHI为限值表中与CP相近的浓度限值的高位值；BPLO为限值表中与CP相近的浓度限值的低位值；IAQIHI为限值表中与BPHI对应的分指数；IAQILO为限值表中与BPLO对应的分指数。各项污染物的AQI、API分级浓度限值分别参照GB3095-2012）、GB3095-1996。

通过式（1），根据某一大气监测点的数据，计算得PM2.5、PM10等对应的空气质量分指数，从而算得该大气监测点的空气质量指数AQI，得到图7所示曲线图。关联查询同一时段内周边其他无组织排放的监测数据、边界监测数据，比较不同监测点浓度曲线的相似度，可实现污染溯源。

图7 大气监测点AQI曲线

5.2 空气污染云图

依据所计算的各大气站AQI数据，结合气象五参数（风速、风向、温度、湿度、气压）生成区域内污染云图如图8所示。

图8 区域空气污染云图

5.3 空气污染溯源路线

空气污染溯源可分三步：

第一步，定向锁定异常因子。通过风向风速预测污染物传输轨迹，模拟计算污染来源及方向，结合气态因子库，圈定疑似排污企业。

第二步，定位定向溯源，确定污染企业。对疑似企业及周边进行异常因子监测，确定排污企业，缩小现场排查范围。

第三步，定点抵达目标区域，排查锁定污染点位。通过便携设备对排查范围内的疑似污染源逐一排查，锁定问题点位。

5.4 技术路线

中心平台软件分数据中心和应用中心软件两部分，其中，数据中心软件基于.net core，运用C#语言和VS2019开发环境设计，包括数据通信和数据处理，实时接收各大气监测点的数据并处理保存，提供给应用中心。

数据中心与现场大气监测点的通信协议包括控制协议和监测协议，均建立在TCP/IP协议和国标HJ/212-2017协议之上。控制协议包括修改数据上传间隔、大气监测点参数设定、对大气监测点的反控等通信协议。监测协议包括传送实时数据、设备状态、报警信息等通信协议。

应用中心分为前端和后端，其中，前端采用vue开发，开发环境为HBuilderx，后端基于.net core，运用C#开发[4]，开发环境为VS2019，数据库使用SQL Server 2012系统，其技术路线如图9所示。

图9 应用中心技术路线

5.5 系统测试

按照国家JCC/I201009.1-2017《扬尘在线监测系统检测方法》和CCAEPI-RG-Y-030-2016《粉尘噪声在线监测系统》等要求和测量方法进行应用测试，其精度要求和实测结果见表1。由表1可见，系统性能完全符合实际应用要求。

表1 性能指标测试结果

6 结束语

结合大气环境监测需求，给出一种环境监测及污染溯源的实现方案，并从硬件选择到软件设计探讨设计思路。测试表明，该方案通过采集多种信息，结合相关算法，进行实时监测和污染溯源及预防，实测结果均符合相关精度要求，可为环保部门进行环境监控、污染治理、环境质量改善提供新的技术手段。