劉璇 張露娟

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

關鍵詞：云端在線;物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)分析

1.引言

近年來，隨著經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整，我國很多地區(qū)的空氣質(zhì)量問題越來越嚴重，不少區(qū)域已出現(xiàn)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?？諝赓|(zhì)量預報是空氣質(zhì)量控制的重要途經(jīng)，在國外空氣質(zhì)量預報主要是以三維空氣質(zhì)量模型為基礎，例如美國的城市氣域模型UAM、德國的EURAD、發(fā)過的CHIMERE等，美國ENVIron公司開發(fā)的CAMX在美國很多地區(qū)都有十分廣泛的應用，甚至成為全球主流的空氣質(zhì)量檢測網(wǎng)絡模型[1]。

2.數(shù)據(jù)采集設備

本文基于環(huán)境保護主題進行云端物聯(lián)網(wǎng)構建。經(jīng)過調(diào)研之后，本文根據(jù)現(xiàn)實需要了解了衡量環(huán)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(zhì)傳感器作為系統(tǒng)的傳感器方案。

為了將上述三個傳感器與系統(tǒng)平臺連接，本系統(tǒng)購置了塔石的無線數(shù)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(shù)傳設備進行了諸如波特率、校驗參數(shù)的參數(shù)配置，遵循ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)得以順利傳輸至云端平臺。

3.數(shù)據(jù)管理平臺

本系統(tǒng)采用TASTEK-IOT平臺和微信小程序平臺作為云端的數(shù)據(jù)管理平臺。

3.1TASTEK-IOT平臺

登錄塔石IOT系統(tǒng)之后，在系統(tǒng)中添加產(chǎn)品“監(jiān)測環(huán)境”，產(chǎn)品類型選擇“ModBus”類型，使用標準ModBus協(xié)議進行通訊。根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)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(jiān)控”進行在線調(diào)試。

3.2微信小程序平臺

通過“草料二維碼”網(wǎng)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(xiàn)手機端對設備的監(jiān)控，實時方便地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)（如圖2所示）。

4.數(shù)據(jù)管理方式

4.1神經(jīng)網(wǎng)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(zhì)量等級數(shù)據(jù)，將前六維數(shù)據(jù)作為輸入層神經(jīng)元，一個隱含層，五種質(zhì)量等級分類作為輸出層。通過Python構建神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)基于環(huán)境數(shù)據(jù)預測空氣質(zhì)量等級的功能[4]。

經(jīng)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(chǎn)生活需要，提供必要的天氣質(zhì)量預測與相關活動建議。

4.2數(shù)據(jù)可視化

通過對大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，使用Python調(diào)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(shù)據(jù)可視化可對不同城市間環(huán)境情況進行橫向?qū)Ρ?，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(huán)保政策實施效果具有輔助作用（如圖4所示）。

4.3數(shù)據(jù)分析處理

4.3.1傳感器接受數(shù)據(jù)

由于傳感器遵循ModBus協(xié)議進行通訊，故其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并非普遍意義上的實際數(shù)據(jù)，需要根據(jù)ModBus協(xié)議做相應的轉換。具體以溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)可視化

本項目中使用最大-最小標準化法對輸入數(shù)據(jù)進行歸一處理。最大-最小標準化是對原始數(shù)據(jù)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(qū)間[0，1]的值，則公式如下[3]：

由上述數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)尤為突出，使得圖像不夠清晰。同樣，對輸入數(shù)據(jù)需要進行最大-最小標準化法歸一 [5]。

5.系統(tǒng)整體部署

5.1數(shù)據(jù)云端在線管理

通過塔石無線數(shù)傳設備，將采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(xiàn)指定數(shù)據(jù)的查詢。避免了傳統(tǒng)監(jiān)測需要工作人員親臨設備布點現(xiàn)場進行人工登記的麻煩，一個賬號可以實現(xiàn)隨時、隨地的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)的操作。真正實現(xiàn)云端在線物聯(lián)網(wǎng)管理。

5.2 大氣質(zhì)量智能預測

通過對大連市每日PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，使用Python調(diào)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(shù)據(jù)可視化可對不同城市間環(huán)境情況進行橫向?qū)Ρ龋蚴菍ν怀鞘胁煌瑫r段進行縱向比較。結果清晰明了，對于城市評價環(huán)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(wǎng)絡環(huán)境完成了溫濕度、PM2.5、PM10、水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，構建基于云端的物聯(lián)網(wǎng)空氣環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)。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(nèi)多時段、多地點的空氣質(zhì)量進行了數(shù)據(jù)采集模擬，對此平臺上的實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，并由此對基于大氣質(zhì)量的生產(chǎn)生活活動進行決策管理。通過神經(jīng)網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)可視化的輔助作用，根據(jù)人民生產(chǎn)生活活動對溫濕度、PM2.5、PM10、一氧化碳等環(huán)境參數(shù)的具體要求，及時對不符合規(guī)定的環(huán)境質(zhì)量進行評估和調(diào)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(huán)境質(zhì)量環(huán)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(huán)保在線監(jiān)測系統(tǒng)研究及實現(xiàn)[D].北方工業(yè)大學，2018.

[2]?吳貴華. 數(shù)據(jù)挖掘技術在環(huán)境保護綜合管理系統(tǒng)中的應用[D].華南理工大學，2011.

[3]?李觀松. 城市環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)挖掘與可視化的研究[D].山東大學，2007.