分布式智能大氣監測設備數據采集與分析技術應用研究

摘要：通過介紹一種多時空因素下分布式智能大氣環境監測設備，以及分析相關數據采集與技術，加強對區域大氣環境質量和污染要素的長期及短期觀測，并基于多種氣象和環境空氣質量模式，開展城市和區域大氣環境質量模擬，對常規污染因子及氣象參數進行24 h 連續在線監測。重點研究設備的適應性、敏感數據的安全傳輸方式與加密算法、獨立于氣象監測框架下的大氣監測標準可行性，以期通過實際案例分析驗證該設備的實用性和市場前景。

關鍵詞：大氣監測；智能設備；數據采集；數據分析；多時空因素

隨著經濟的快速發展，大氣污染問題日益突出，對人類健康和生態環境造成嚴重威脅，實時、準確地監測大氣環境質量對于污染防治和環境管理至關重要。由于傳統的大氣監測方式存在效率低、維護成本高等問題，因而本文提出一種基于多時空因素的分布式智能大氣監測設備，可實現污染物與氣象參數的自動監測和數據分析，為大氣環境監管提供有力支撐。

1 分布式智能大氣環境監測設備的研發

1.1 設備組成與技術優勢

分布式智能大氣環境監測設備采用模塊化設計，集成了多個傳感器模塊、數據處理單元和通信模塊，實現了環境參數的實時在線監測，其技術指標如表1 所示。傳感器模塊包括PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、O3、VOC 等常規污染物傳感器，以及風速、溫度、濕度等氣象參數傳感器，因此選用高精度、快響應的檢測器件，保證監測數據的準確性和實時性[1]。

數據處理單元采用低功耗微處理器，通過優化算法和策略，在降低能耗的同時提高了數據處理和存儲效率。通信模塊支持4G、NBIoT、LoRa 等無線協議，可靈活適應不同應用場景，實現穩定可靠的遠程數據傳輸。

綜合而言，分布式智能大氣環境監測設備具有高精度、高可靠、響應快、模塊化、免維護、適應惡劣環境、低功耗的技術優勢，突破了傳統監測設備的局限性，可全天候、高精度、低功耗地進行環境監測，為環境管理提供了新的技術手段，具有廣闊的應用前景。

1.2 適應性研究

為確保分布式智能大氣環境監測設備在不同環境條件下均可穩定運行，針對不同氣候區和地形條件，優化傳感器選型和布點方案，確保監測數據的代表性和準確性；針對極端溫度、濕度和污染條件，改進設備的防護措施和校準方法，提高監測結果的可靠性；針對不同供電條件和通信環境，通過調整設備的功耗管理策略和數據傳輸方案，保證設備的長期自主運行。

在全國范圍內選取多個氣候條件和地形特征差異顯著的地區對設備進行適應性測試。在嚴寒、酷熱、潮濕等極端天氣條件下，評估設備的防護性能和測量穩定性；在山地、盆地、沿海等復雜地形環境中， 驗證監測數據的空間代表性和一致性；在電力供應不穩定、通信網絡覆蓋不完善的偏遠地區，測試設備的能耗特性和數據傳輸可靠性。

通過一系列實地測試和優化改進，全面提升設備的適應性和穩定性，即使在惡劣的環境條件下，設備也能夠持續穩定運行，提供高質量的監測數據。實地測試結果表明，設備的各項性能指標均滿足設計要求且適應性良好，因此可以在全國范圍內大規模推廣應用，并為城市和區域大氣環境監測提供可靠的技術支撐。

2 敏感數據安全傳輸方式及加密算法

2.1 數據遠程加密傳輸

為保證敏感監測數據在傳輸過程中的安全性和保密性，在設備端，對采集的原始數據使用AES-256 算法進行對稱加密，生成安全的加密密鑰，確保數據在本地存儲和傳輸過程中的機密性；上傳數據時，使用RSA 或ECC 等非對稱加密算法對AES 密鑰進行加密，防止密鑰在網絡傳輸中被竊??；在服務器端，采用透明數據加密等專業數據庫加密方案，對存儲的敏感數據進行可靠保護。此外，還可通過構建基于SSL/TLS 的安全通信通道，實現設備與服務器之間的“端到端”加密傳輸，有效防止數據被篡改或竊聽[2]。

為確保密鑰的安全性和可用性，建立包括密鑰生成、分發、更新、備份和銷毀等環節的完善的密鑰管理機制。同時，通過定期更新和備份密鑰，降低密鑰泄露風險，保障數據安全。

綜合應用加密傳輸和密鑰管理措施，不僅能為敏感監測數據的遠程傳輸提供全方位的安全保障，還能最大限度地降低數據泄露和篡改風險，確保數據的機密性、完整性和可用性。

2.2 設備功耗優化

為實現分布式智能大氣環境監測設備的長期自主運行，選用MEMS 傳感器和ARMCortex-M 系列MCU 低功耗的傳感器和微處理器，在滿足性能需求的同時，降低器件功耗。針對數據采集和處理環節，對采樣率、數據壓縮、存儲策略等進行優化，并根據監測指標的特點進行動態調整，在保證數據質量的前提下使能耗最小化。

由于數據傳輸模塊的優化是設備功耗管理的重點，因而選擇功耗最優的LoRa、NB-IoT等無線通信協議，通過利用其低功耗、長距離傳輸的特性減少數據傳輸的頻次和持續時間，通過數據壓縮、批量傳輸、非連續傳輸等策略進一步降低通信功耗。

設計智能電源管理模塊，采用光伏電池板和大容量電池實現能量采集與存儲。開發智能能量調度算法，根據設備運行狀態和能量收支情況，動態優化能量分配策略，在設備運行和數據傳輸之間實現能量平衡，使設備的能量利用效率最大化。

經過多方面功耗優化，分布式智能大氣環境監測設備的電池續航時間得到顯著提升，實現了長達數月乃至數年的連續監測；同時，設備的運維成本大幅降低，為大規模布設和長期運行提供了可靠保障。

2.3 異常情況預警與報警

為及時發現和處置大氣環境監測設備的異常情況，設備端采用基于規則、閾值、趨勢的異常檢測算法，通過實時分析傳感器讀數、設備狀態、通信質量等關鍵指標，及時發現異常數據和故障征兆。同時，結合環境特征和歷史數據，建立設備運行的基線模型，通過偏差分析等方法識別異常模式，提高異常檢測的靈敏度和準確性。

針對不同等級的異常情況，制定相應的報警策略和處置流程。當出現輕微異常時，通過數據標記、設備自我診斷等方式進行記錄和跟蹤，為后續的故障分析和預防提供依據[3]；當出現嚴重異常時，通過觸發聲光報警、短信通知、平臺告警等多種方式，提醒運維人員及時開展遠程或現場的排查和處置。

通過異常情況的實時預警和快速響應，有效提高了設備的可靠性和數據的完整性。基于對歷史異常數據的統計分析，識別設備故障、數據異常的規律和原因， 為優化監測方案、改進設備設計、完善運維策略提供了數據支撐，使系統的魯棒性和智能化水平不斷得到提升。

3 獨立于氣象監測框架下的大氣監測標準可行性探討

目前，大氣環境監測主要依賴于氣象部門的監測框架和標準，在一定程度上限制了大氣環境監測的靈活性和專業性。為了更好地適應大氣環境監測的特殊需求，對建立獨立于氣象監測框架下的大氣監測標準進行可行性探討。

通過分析現有氣象監測標準和大氣環境監測特點，發現兩者在監測對象、監測要素、監測頻次和監測方法等方面存在差異。其中，大氣環境監測更關注污染物和污染物濃度對人體健康的影響，需要更高的時空分辨率和更專業的監測技術。因此，制定專門的大氣環境監測標準，規范監測設備的技術指標、布點原則、運維要求和數據質量控制非常必要。

以分布式智能大氣環境監測設備為基礎，充分考慮設備的性能特點和實際應用需求，制定適用于城市和區域尺度的大氣環境監測標準，力求覆蓋大氣環境監測的各個環節，將監測指標、采樣頻次、數據傳輸和異常處置等各個方面都涵蓋到，同時對設備布點、安裝和維護等做出規范要求?？茖W、實用、可操作的大氣環境監測標準，不僅奠定了大氣環境監測規范化和標準化的基礎，其制定和實施還有助于提高大氣環境監測數據的準確性、一致性和可比性，為大氣污染防治和環境管理決策提供可靠依據。

4 實際應用案例分析

4.1 項目背景

日照市作為山東省的重要沿海城市，近年來受經濟發展迅速影響，城市面臨的大氣污染問題日益嚴峻。因此，為了加強對大氣環境的管理，日照市生態環境部門決定建設智慧環保綜合管理平臺，對該市的大氣環境質量進行實時監測和分析。

4.2 系統部署與應用效果

日照市智慧環保綜合管理平臺項目組，根據日照市的地理環境特點和污染源分布情況，科學設計大氣環境監測網絡的布局方案，在該市范圍內部署100 余個分布式智能大氣環境監測設備，實現對PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3 等主要污染物和氣象要素的全天候、高密度監測[4]；通過搭建高可靠、低時延的數據傳輸網絡，將監測數據實時上傳至云端數據中心，經質量控制和分析處理后，以可視化的方式將監測到的數據展示在智慧環保綜合管理平臺上，為環保部門提供直觀、全面的大氣環境信息。日照市智慧環保綜合管理平臺大氣環境監測網絡建設情況如表2 所示。

5 分布式智能大氣環境監測設備市場前景展望

隨著生態文明建設的不斷推進，各地對大氣環境監測和管理的需求日益增長。分布式智能大氣環境監測設備憑借先進的技術性能和可靠的實際應用效果，在環境監測市場上展現出廣闊的應用前景。

5.1 市場競爭優勢明顯

從市場容量來看，我國有數百個地級以上城市需要建設智慧環保管理平臺，對分布式智能大氣環境監測設備的需求量十分可觀。以山東省為例，僅2022 年就有近千萬元的大氣環境監測設備采購需求，預計未來幾年這一需求還將持續增長。而分布式智能大氣環境監測設備因其出色的性價比和服務質量，在市場競爭中占據了明顯優勢。

5.2 市場拓展空間良好

從應用場景來看，分布式智能大氣環境監測設備可廣泛應用于城市環境、工業園區、交通樞紐、自然保護區等特定區域，以及對重大活動、突發事件等特殊時段的大氣環境監測，因而具有良好的市場拓展空間。

5.3 市場影響力與占有率需持續擴大

從發展趨勢來看，隨著大氣污染防治形勢的日益嚴峻，以及國家和地方政府對大氣環境監測要求的不斷提高[5]，分布式智能大氣環境監測設備除了緊跟行業發展趨勢、不斷優化設備性能、拓展監測指標、完善數據分析功能以滿足市場和用戶的多樣化需求外，還要探索大氣監測數據與其他環境信息的融合應用，為生態環境管理提供更加綜合、智能的解決方案，從而持續擴大市場影響力和占有率。

6 結束語

綜上所述，分布式智能大氣監測設備能夠實現對區域大氣環境的實時在線監測，以及通過數據分析為空氣質量評估提供可靠依據。同時，該設備具有精度高、模塊化、低功耗等優點，可應對各種惡劣環境，且數據傳輸采用多種加密方式能保證敏感數據的安全性。另外，日照市的應用案例也證明了分布式智能大氣監測設備的實用性，因而未來將有望在更多城市推廣應用，可為生態環境信息化建設與“兩高”項目、“雙碳”項目提供有力保障。

參考文獻

[1] 高瑞，薛晶晶.大氣環境綜合監測系統設計[J].物聯網技術，2024，14（7）：5-7.

[2] 李文青，史雨梅.方差分析在實時環境監測數據分析中的應用[J].經濟研究導刊，2021（26）：44-46.

[3] 朱蕭璇.大氣污染在線監測系統的設計與實現（碩士論文）[D].濟南：山東大學，2022.

[4] 林俐.環保管理系統在環境監測及環保統計工作中的應用[J].中國科技信息，2021（10）：126-127.

[5] 駱天浩.精準化環境監測預警系統的設計與實現（碩士論文）[D].南京：南京郵電大學，2022.

作者簡介

彭楠（1980—），男，漢族 ，山東莒南人，高級工程師，大學本科，主要從事能源行業數字化應用研究。

加工編輯：馮為為、唐藝桐

收稿日期：2024-07-26