裴成磊,梁永健,劉文彬,鄺俊俠

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 廣州 510030)

·信息應用·

廣州市空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)設計及建設

裴成磊,梁永健,劉文彬,鄺俊俠

(廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 廣州 510030)

廣州市空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)分為子站系統(tǒng)和中心控制數(shù)據接收平臺系統(tǒng)兩部分。子站系統(tǒng)利用串口通訊采集儀器數(shù)據及狀態(tài)標識;為確保中心系統(tǒng)的數(shù)據接收,系統(tǒng)通訊采用ADSL寬帶和無線通訊相結合的方式,并設立了發(fā)送和接收數(shù)據的協(xié)議;子站系統(tǒng)的可視化界面與遠程控制軟件結合,可隨時對子站進行監(jiān)控;采用SQ L語言對數(shù)據庫進行訪問,完成每日日報預報功能。

空氣質量;自動監(jiān)測系統(tǒng);設計;建設

1 背景

廣州市空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由自動監(jiān)測子站系統(tǒng)(以下簡稱“子站系統(tǒng)”)和中心控制數(shù)據接收平臺系統(tǒng)(以下簡稱“中心系統(tǒng)”)組成,主要功能是采集存儲子站內儀器的數(shù)據和運行狀態(tài),對數(shù)據進行質控操作得到每日空氣質量的日報和預報。目前,廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站子站包括10個國控點子站,5個亞運子站,17個市控子站;子站常規(guī)監(jiān)測項目為 SO2、NO2、CO、O3、PM10和氣象參數(shù) ,國控點子站監(jiān)測的 SO2、NO2、PM103項作為監(jiān)測指標,統(tǒng)計廣州市的空氣污染指數(shù)API。為做好2010廣州亞運會空氣質量保障監(jiān)測工作,廣州市添置了大量的自動監(jiān)測儀器,傳統(tǒng)的系統(tǒng)已無法滿足需要,為此,廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站結合自身實際,設計和建設了一個新型空氣質量自動監(jiān)測系統(tǒng)。

筆者介紹了包括子站系統(tǒng)和中心系統(tǒng)兩部分的設計和建設過程,主要解決3個方面的問題:一是針對目前子站內大量的不同種類的自動監(jiān)測儀器,如何實現(xiàn)數(shù)據的順利采集和發(fā)送;二是保障數(shù)據準確無誤地發(fā)送和接收;三是中心系統(tǒng)能滿足日常日報預報的要求,并能對子站隨時遠程監(jiān)控。

2 子站系統(tǒng)的設計和建設

廣州市目前的子站所有監(jiān)測項目除了常規(guī)項目外 ,還包括 PM2.5、PM1、VOC、EC/OC、顆粒物粒徑分布、NH3、CO2、CH4、能見度等項目。新增項目已遠遠超出傳統(tǒng)系統(tǒng)的承載能力,迫切需要建立一套新的子站系統(tǒng),其應具有以下功能:(1)能夠準確地從各種自動監(jiān)測儀器中采集數(shù)據。(2)數(shù)據可實現(xiàn)本地存儲。(3)可視化界面,能夠顯示儀器監(jiān)測的數(shù)據以及工作狀態(tài)。(4)數(shù)據發(fā)送機制可靠,防止數(shù)據丟失。圖1為子站系統(tǒng)功能框架。

圖1 子站系統(tǒng)功能框架

子站系統(tǒng)由工控機和子站系統(tǒng)軟件組成,子站系統(tǒng)軟件采用VB設計,通過工控機串口采集儀器數(shù)據和工作狀態(tài)標識,并存入數(shù)據庫和發(fā)送文本中。圖2為軟件流程圖。

圖2 子站系統(tǒng)軟件流程

配置信息主要包括:子站站點編號,中心系統(tǒng)用于接收子站系統(tǒng)數(shù)據的 IP地址和端口號,數(shù)據定時采集周期,數(shù)據數(shù)值保留小數(shù)位,數(shù)據數(shù)值保留有效數(shù)字等。檢查系統(tǒng)配置主要包括:系統(tǒng)資源檢查,軟件運行所需資源檢查,串口資源和占用情況檢查。

目前自動監(jiān)測儀器的輸出有模擬和數(shù)字兩種信號。對于數(shù)字信號的采集,按照儀器提供的通訊協(xié)議,通過計算機串行通信口和儀表自帶的RS 232,可實現(xiàn)對數(shù)據和狀態(tài)標識的采集[1]。對于模擬信號,采用模數(shù)轉換模塊,將模擬信號轉換成數(shù)字信號后,利用串口可實現(xiàn)對模擬信號的采集。模擬信號和監(jiān)測數(shù)據之間需要確定對應公式,一般為線性關系:

式中:a,b——系數(shù);X——模擬信號;Y——監(jiān)測數(shù)值。設定好儀器監(jiān)測量程后,通過測試2個或2個以上模擬輸出值和儀器測量值,由(1)式可以計算出參數(shù)a,b。如果為非線性關系,采用多點測試同理可以確定對應公式中的系數(shù)。

每臺儀器所使用的通訊方式設置、串口設置、命令語言、對應公式、數(shù)據使用的單位等存儲在腳本文件中。每次重啟時,軟件直接讀取每種儀器的腳本文件即可自動運行。利用VB編程訪問Access或SQL Server數(shù)據庫,實現(xiàn)數(shù)據的本地存儲功能[2,3]。

軟件可視化界面設計需要滿足:5 min值及曲線顯示,小時值及曲線顯示,儀器運行狀態(tài)顯示。建設完成的軟件界面如圖3所示。

圖3 子站系統(tǒng)軟件界面

子站工控機加裝了遠程控制軟件,如Remote-ly Anywhere,Team View等。通過遠程控制結合子站系統(tǒng)可視化界面,可以實時獲取子站內儀器測量數(shù)據和儀器運行狀態(tài)。

3 系統(tǒng)通訊的設計及建設

現(xiàn)有通訊網絡中,有線網絡速率和穩(wěn)定性高,無線網絡可移動性和方便性強。按照網絡穩(wěn)定性優(yōu)先的原則,常規(guī)子站采取有線ADSL寬帶作為骨干通訊網絡;山區(qū)和流動監(jiān)測車等較難安裝有線寬帶的子站,采用 GPRS或3G無線通訊為輔助網絡。中心系統(tǒng)采用具有固定 IP地址的有線寬帶網。

子站系統(tǒng)與中心系統(tǒng)間采用異步通信方式,子站系統(tǒng)內有數(shù)據發(fā)送模塊,它循環(huán)讀取發(fā)送文本內的數(shù)據,并將每條數(shù)據發(fā)送到中心系統(tǒng)的固定IP地址端口下。為盡量避免數(shù)據的丟失,系統(tǒng)設立了發(fā)送和接收數(shù)據的協(xié)議:(1)每條數(shù)據以J Z作為開始符。(2)中間信息段包括子站編號、數(shù)據采集的日期時間、數(shù)據類型、數(shù)據值、儀器狀態(tài)標識。(3)日期時間和數(shù)據之間以@@@作為分隔。(4)不同測量項目以分號作為分隔。(5)每段數(shù)據以####作為結束符。(6)每條數(shù)據接收后需要回條確認。

子站系統(tǒng)與中心系統(tǒng)間回條確認的方式為:子站系統(tǒng)將要發(fā)送的數(shù)據存儲在發(fā)送文本內;子站系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據后等待中心系統(tǒng)的確認消息(即回條);中心系統(tǒng)接收到每條數(shù)據后,將數(shù)據中固定IP和端口號、數(shù)據日期時間、站點編號作為標識并以####結尾,作為回條發(fā)送回子站系統(tǒng);子站系統(tǒng)在確認接收到回條后清除發(fā)送文本內對應的數(shù)據。沒有接收到回條,子站系統(tǒng)將不會刪除對應的數(shù)據并將持續(xù)發(fā)送。

為了與廣東省站監(jiān)控平臺聯(lián)網和對接,按照國家和省站的要求,在子站系統(tǒng)的配置文件中,添加省站數(shù)據接收軟件系統(tǒng)所使用的固定IP地址和端口號、按照國家規(guī)定要求編寫的子站編號以及需要發(fā)送的項目。子站系統(tǒng)將添加新的數(shù)據發(fā)送文本,數(shù)據發(fā)送模塊按照配置信息,將每個文本內的數(shù)據發(fā)送到指定IP地址和端口。

4 中心系統(tǒng)的設計及建設

中心系統(tǒng)接收子站系統(tǒng)的數(shù)據,將其存儲于服務器,并具有數(shù)據匯總查詢功能。中心系統(tǒng)由中心服務器、數(shù)據接收存儲軟件、數(shù)據匯總查詢軟件組成。

4.1 數(shù)據接收存儲軟件

數(shù)據接收存儲軟件采用C#語言開發(fā),采用SQL Server數(shù)據庫存儲數(shù)據。軟件時刻監(jiān)聽接收數(shù)據的IP地址下的固定端口,在接收到符合協(xié)議規(guī)范的數(shù)據后,將站點編號、日期時間、數(shù)據類型、數(shù)據值、儀器狀態(tài)標識存入數(shù)據庫里對應的表中,圖4為設計流程圖。

圖4 數(shù)據接收存儲軟件設計流程

4.2 數(shù)據匯總查詢軟件

數(shù)據匯總查詢軟件采用C#語言編寫,利用SQL結構化查詢語言實現(xiàn)對數(shù)據庫操作。軟件包功能有:查詢5 min和每個小時的原始值;可對數(shù)據質控和質控數(shù)據進行查詢;可將原始數(shù)據和質控數(shù)據繪制成曲線圖;能自動生成單站多測項報表、多站單參數(shù)報表、多站多參數(shù)報表、空氣質量日報表、單站API日報表。軟件為了保護原始數(shù)據,在數(shù)據庫中將原始數(shù)據和質控數(shù)據存儲于兩張表中,質控數(shù)據的修改將不會對原始數(shù)據造成改動,軟件具有網頁訪問查詢的功能。圖5為登錄后查詢界面。

圖5 數(shù)據匯總查詢軟件登錄后查詢界面

5 結語

綜合利用計算機編程、數(shù)據庫、計算機通信等信息技術設計建成的廣州市空氣質量自動監(jiān)測新系統(tǒng),主要特點有:可采集種類和數(shù)量眾多的監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據;具有確保數(shù)據發(fā)送和接收的網絡及協(xié)議;可進行數(shù)據查詢質控以及日報預報功能;具有遠程監(jiān)控功能;方便日常維護。

整套系統(tǒng)建成已快1年,目前已能穩(wěn)定運行,并取代傳統(tǒng)系統(tǒng)進行日常工作。進一步補充完善系統(tǒng)的通訊及協(xié)議,將使其能兼容更多的新型儀器,運行更加穩(wěn)定有效。

[1]張崇智.基于VB的串口實時數(shù)據采集[J].機電工程技術,2005,34(10):79-81.

[2]周威.在VB.NET中用ADO訪問Access數(shù)據庫的方法[J].嘉興學院學報,2005,17(3):39-41.

[3]莊希環(huán).VB訪問SQL SERVER數(shù)據庫的方案分析[D].天津:天津大學,2002.

The Design and Construction of Air Quality Automatic Monitoring System in Guangzhou

PEI Cheng-lei,LIANG Yong-jian,LIU Wen-bin,KUANGJun-xia
(Guangzhou Environmental Monitoring Central Station,Guangzhou,Guangdong 510030,China)

Guangzhou air quality automatic monitoring system is divided into the sub-station system and the center system which can control and

ata remotely.The sub-station system using serial communication collects data and state information form instruments.In order to ensure data receiving of center system,broadband,wireless and protocol of data sending and receiving are used.Combining visual interface of sub-station system with remote monitoring,sub-stations can be monitored anytime.Daily information and prediction can be completed by using SQL language to access database.

air quality;automatic monitoring system;design;construction

X84

B

1674-6732(2011)-02-0027-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.02.008

2010-09-25;

2010-09-30

裴成磊(1983—),男,助理工程師,碩士,從事空氣質量自動監(jiān)測領域的工作和研究。

(本欄目編輯 陸敏)