基于物聯網技術的云端空氣質量檢測管理系統

劉璇 張露娟

摘?要：本文提出的空氣質量檢測管理系統，以云端在線的方式實現了對空氣質量實時監測和管理。通過有針對性地在生產生活環境中布設傳感器，分時段、分地點采集溫濕度、水質、PM2.5以及PM10特征值，設置了網絡環境完成相關數據的采集模塊，將傳統生產生活中的孤島數據實時傳輸、保存到遠程云端數據庫，構建了基于物聯網和云端的低成本物聯網空氣質量監管系統。通過對數據庫中數據進一步進行數據挖掘和可視化處理，為社會大氣環境的監管決策提供及時的數據支持和各種便捷可靠的服務。

關鍵詞：云端在線;物聯網;數據分析

1.引言

近年來，隨著經濟的持續快速發展與產業結構的調整，我國很多地區的空氣質量問題越來越嚴重，不少區域已出現較為嚴重的以PM2.5和臭氧為主要污染物的大氣復合污染，對人們的身體健康帶來極大的危害。空氣質量預報是空氣質量控制的重要途經，在國外空氣質量預報主要是以三維空氣質量模型為基礎，例如美國的城市氣域模型UAM、德國的EURAD、發過的CHIMERE等，美國ENVIron公司開發的CAMX在美國很多地區都有十分廣泛的應用，甚至成為全球主流的空氣質量檢測網絡模型[1]。

2.數據采集設備

本文基于環境保護主題進行云端物聯網構建。經過調研之后，本文根據現實需要了解了衡量環境情況的常用指標AQI，包括“PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3”。在此基礎上本文選擇了溫濕度傳感器、PM2.5/10傳感器、水質傳感器作為系統的傳感器方案。

為了將上述三個傳感器與系統平臺連接，本系統購置了塔石的無線數傳設備。并將其與三個傳感器裝置安裝在一起（如圖1所示）。通過無線數傳設備進行了諸如波特率、校驗參數的參數配置，遵循ModBus協議的數據得以順利傳輸至云端平臺。

3.數據管理平臺

本系統采用TASTEK-IOT平臺和微信小程序平臺作為云端的數據管理平臺。

3.1TASTEK-IOT平臺

登錄塔石IOT系統之后，在系統中添加產品“監測環境”，產品類型選擇“ModBus”類型，使用標準ModBus協議進行通訊。根據傳感器采集的數據進行ModBus端點的添加，完成云平臺的設置。

通過設備配置軟件對設備啟用IOT云，通過設備編號與設備密碼的校驗建立與云平臺的連接。設備上線后可以點擊“實時監控”進行在線調試。

3.2微信小程序平臺

通過“草料二維碼”網站為平臺設備生成唯一二維碼，并通過微信掃描該二維碼將設備綁定至“TASTEK IOT”平臺小程序。

在微信小程序“TASTEK IO平臺”中掃描該碼可以實現手機端對設備的監控，實時方便地獲取監測數據（如圖2所示）。

4.數據管理方式

4.1神經網絡方式

本項目基于2019年1月1日到2020年3月31日之間的大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3和空氣質量等級數據，將前六維數據作為輸入層神經元，一個隱含層，五種質量等級分類作為輸出層。通過Python構建神經網絡實現基于環境數據預測空氣質量等級的功能[4]。

經過20000次訓練，模型準確性可達87%，具有較高參考價值，可用于實際實際生產生活需要，提供必要的天氣質量預測與相關活動建議。

4.2數據可視化

通過對大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3數據進行歸一化處理后，使用Python調用相關庫可以繪制雷達圖直觀展示當日大連市的主要污染物情況（如圖3所示）。除了顯示某一城市當日污染物情況外，利用數據可視化可對不同城市間環境情況進行橫向對比，或是對同一城市不同時段進行縱向比較。結果清晰明了，對于城市評價環保政策實施效果具有輔助作用（如圖4所示）。

4.3數據分析處理

4.3.1傳感器接受數據

由于傳感器遵循ModBus協議進行通訊，故其傳輸的數據并非普遍意義上的實際數據，需要根據ModBus協議做相應的轉換。具體以溫濕度傳感器的數據情況如表所示（讀取設備地址 0x01 的溫濕度值，問詢幀（16 進制）如表1所示，應答幀（16 進制）：（例如讀到溫度為-10.1℃，濕度為 65.8%RH）如表2所示）：

4.3.2數據挖掘與數據可視化

本項目中使用最大-最小標準化法對輸入數據進行歸一處理。最大-最小標準化是對原始數據進行線性變換，設minA和maxA分別是屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值x通過最大-最小標準化映射到區間[0，1]的值，則公式如下[3]：

由上述數據挖掘的處理流程可知，在繪制主要污染物分析的雷達圖時，同樣面臨不同評價指標量綱不一的問題。該問題會導致雷達圖在某一維度的數據尤為突出，使得圖像不夠清晰。同樣，對輸入數據需要進行最大-最小標準化法歸一 [5]。

5.系統整體部署

5.1數據云端在線管理

通過塔石無線數傳設備，將采集到的監測數據上傳至塔石IOT平臺。在設備上線后，用戶僅需要登錄該平臺即可實現指定數據的查詢。避免了傳統監測需要工作人員親臨設備布點現場進行人工登記的麻煩，一個賬號可以實現隨時、隨地的數據管理。

通過拓展該平臺，將設備與微信小程序綁定，用戶甚至不需要PC端登錄IOT平臺，僅僅需要一部手機即可完成讀數據、寫數據的操作。真正實現云端在線物聯網管理。

5.2 大氣質量智能預測

通過對大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3數據進行歸一化處理后，使用Python調用相關庫可以繪制雷達圖直觀展示當日大連市的主要污染物情況。

除了顯示某一城市當日污染物情況外，利用數據可視化可對不同城市間環境情況進行橫向對比，或是對同一城市不同時段進行縱向比較。結果清晰明了，對于城市評價環保政策實施效果具有輔助作用。

6 總結

本項目針對生活場景，布設傳感器并設置網絡環境完成了溫濕度、PM2.5、PM10、水質數據的采集，構建基于云端的物聯網空氣環境監管系統。在傳感器設備成功鏈接到塔石IOT平臺后，我們通過該設備對大連市一年內多時段、多地點的空氣質量進行了數據采集模擬，對此平臺上的實時數據進行監測，并由此對基于大氣質量的生產生活活動進行決策管理。通過神經網絡和數據可視化的輔助作用，根據人民生產生活活動對溫濕度、PM2.5、PM10、一氧化碳等環境參數的具體要求，及時對不符合規定的環境質量進行評估和調查，確保云端管理在實際應用中能夠真實有效地反映大氣環境質量環境并做出及時有效地管理。

參考文獻

[1]?陳夢嬌. 基于云平臺的遠程環保在線監測系統研究及實現[D].北方工業大學，2018.

[2]?吳貴華. 數據挖掘技術在環境保護綜合管理系統中的應用[D].華南理工大學，2011.

[3]?李觀松. 城市環境空氣質量數據挖掘與可視化的研究[D].山東大學，2007.