基于物聯網技術的跨區域氣象環境污染監測系統

摘要：在氣象污染方面，不同區域氣象環境污染不同，各個地區的信息關聯性微弱，導致現地區氣象環境污染指數測量設備無法對其他區域污染信息準確檢測，因此，本文通過提出以物聯網技術為支持的跨區域氣象環境污染監測系統，提出軟硬件設計方式，系統以分層、模塊、網絡結構的物聯網，通過以HMP45D傳感器為基礎的污染信息采集系統及以S3C2410處理器為基礎的信息處理系統組成，各系統可單獨運作，且系統設計MMA7260傳感節點加速器加入到節點中，克服跨區域導致的濕度傳感器誤差，設計防治信號沖突軟件，確保系統實用性。

關鍵詞：物聯網;跨區域;氣象環境;污染監測;數據處理

中圖分類號：X831 文獻標識碼：A 文章編號：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

社會發展產生嚴重氣象環境污染問題，影響人們正常生活，需對氣象環境污染信息收集，對空氣環境評估，制定治理污染有效方案。當下，氣象環境污染信息收集主要以人工觀測完成，時效性差、惡劣環境無法準確收集信息，故需構建一體化自動氣象環境污染數據采集系統[1]。

1 系統原理

以物聯網技術為支持的氣象環境監測系統考慮到氣象污染數據的多樣性、復雜性，系統較大范圍設置不同類傳感器，可對多樣數據及時、準確傳遞，通過多樣化傳感器組網，準確收集數據[2]。物聯網信息收集包含可收集空氣污染信息的傳感器節點，節點相互傳遞信息，以無線網絡通信和末端外圍設備構成系統，實現跨區域污染信息監測。系統收集整體污染信息，而后將多范圍信息匯總，傳遞給控制終端分析處理。

2 物聯網污染信息采集系統硬件平臺設計

2.1 監測中無線傳感器節點硬件

污染信息收集傳感器節點是系統核心，傳感器節點由不同屬性信息操作模塊構成，信息操作模塊相互聯系，完成節點操作[3]。其中，污染信息收集上：模塊收集大范圍污染信息，涵蓋多種范圍污染信異常變化信息收集。信息差異運算模塊：對收集的污染信息干擾因素充分過濾，保存正確污染信息。信息差異運算可融合不同差異的污染信息，以無線傳輸到下級模塊[4]。

信息通信模塊：聯系不同傳感器節點，傳遞污染信息、差異信息及異常，為系統提供全面信息，確保監測的有效性及精準性。

2.2 信息傳遞加速傳感器設計

基于物聯網技術的跨區域氣象環境污染監測系統其“跨區域”是一特色，系統跨區域運行，易導致傳感器高、中濕校準點出現較大誤差。只有保證信息高效傳輸，才能確保監測系統穩定運行。為減少傳感器跨區域導致的誤差，設計在系統硬件加入MMA7260Q（加速度傳感器），提高監測系統運行可靠性[5]。MMA7260Q自身為單芯片結構，可收集信號傳遞加速度，針對速度控制信號傳遞，確保網絡信息高速、安全傳輸。此外，MMA7260Q自身運行原理簡單，消耗能量較少，有出色的抗干擾能力，其芯片屬性分為1.6、3、5g可選，運行的能量僅為620μA，停止運行耗能僅為2μA。在電壓方面，運行電壓處于3.5～4.7V之間，使用安全。靈敏度方面，MMA7260Q可以收集750mV/g·1.6g信號變化，靈敏度突出。

3 軟件設計

3.1 數據查詢人機接口模塊

人機接口模塊上，可以為用戶及系統之間數據信息交互提供直觀顯示，以面對對象為基本原理，按照用戶的實際需求，落實對應設計。用戶在人機接口模塊支持下，可以對顯示的數據進行切實分析，了解氣象環境現狀。設備上顯示的數據信息主要是最底層搜集到的信息的集中展示。底層數據中包含系統時間、污染指數、近距離及遠距離的污染指數等。通過數據融合算法，可有效獲取所需數據，分析空氣污染程度，針對溫差確定天氣情況。

3.2 污染指數顯示

污染指數顯示上，主要包含污染信息及歷史污染數據顯示。污染指數上顯示當下環境污染及兩年內的環境污染信息，為用戶進行有效分析及判斷奠定數據基礎。

3.3 氣象污染數據儲存模塊

儲存模塊主要對數據有效儲存，傳感器節點搜集到的數據儲存在此，為日后氣象分析提供數據支持。儲存模塊分析當下信息庫及歷史信息庫，當下信息庫提供記錄監測到的數據，以不同形式呈現給用戶，多采用動態曲線方式呈現出來，部分數值信息則通過文本形式保存到歷史信息庫中。

4 系統實現及實際應用分析

為分析以物聯網為支持的空氣污染監測系統是否具有可行性及先進行，需對其實際應用進行相應試驗。試驗從當地氣象管理部門采集樣本數據，為兩個不同區域、不同范圍空氣污染信息。試驗通過IDATA平臺仿真技術落實，檢測對應樣本數據，檢測系統軟件參數為：（1）誤差監測收集橫跨范圍：650km;（2）傳感器最大間距：0.345m;（3）傳感器最小間距：0.006m;（4）收集環境平均溫度：13.18℃。

經運算得到無線傳感器傳播速度為1012.2m/s。試驗考慮到室外環境中污染顆粒富含多種物質，可能導致傳感信號受到不良影響，導致監測出現較大誤差，故將污染程度測量公式融入到實際誤差分析中：

（其中，為環境跨區污染指數誤差數據）

系統對遠程污染顆粒濃度收集，確保系統搜集到的空氣污染信息的全面性及有效性，可對異常污染出現及時預警。系統對跨區域污染程度顆粒濃度的實際檢測曲線如圖1所示。

通過圖1分析得到，采用上文所述的系統對最高空氣污染濃度檢測，位于650m位置，實際上最高空氣污染濃度在645m位置。由此可見，采用上述系統收集的空氣數據存在相對誤差，誤差在1%，也就是說，文章提出以物聯網技術為基礎的空氣污染檢測系統具有及時性、準確性，且系統性能良好。由此可見，文章提出的基于物聯網空氣污染監測系統可準時監測對應空氣污染信息，可應用到相關實踐中去。

5 結語

綜上所述，文章以物聯網技術為支持，提出一種跨區域的信息采集氣象環境污染信息監測系統，并通過IDATA平臺仿真測試分析，發現系統精確度滿足要求。

參考文獻

[1]綦亮，武枝，盛有錫，et al.基于物聯網技術的地質環境監測系統平臺開發[J].網絡安全技術與應用，2017（10）：152-153.

[2]中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所.作物生長環境監控物聯網系統應用[J].農業工程技術，2017，37（6）：56-59.

[3]吳林.基于物聯網技術的生態環境監測應用研究[J].信息系統工程，2017（9）：32-32.

[4]吳珊珊，劉清闖，王書旺，et al.基于物聯網的水體環境監測無人船的設計[J].數字技術與應用，2017（5）：165-166.

[5]陳明武，唐桂林.基于物聯網技術的非接觸式高溫工業爐監測系統[J].河北北方學院學報：自然科學版，2019（5）：42-45.

收稿日期：2019-12-02

作者簡介：羅芳（1985-），女，漢族，碩士研究生，中級職稱，研究方向為環境監測、環境管理等。