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        基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-12-21 03:44:07董天天沙晶晶周洋
        科學(xué)與信息化 2020年28期
        關(guān)鍵詞:氣象要素數(shù)據(jù)處理物聯(lián)網(wǎng)

        董天天 沙晶晶 周洋

        摘 要 為了實(shí)現(xiàn)信息的高速獲取和交換,使人類生產(chǎn)和生活具有更高的智能化的目的;提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)包括氣象要素:溫度(AM2320)、濕度(AM2320)、氣壓(BMP180)、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量六種模塊傳感器和樹莓派網(wǎng)關(guān)控制器、存儲(chǔ)卡、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)(oneNet)。采用六種環(huán)境傳感器對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過TensorFlow數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)集預(yù)訓(xùn)練模型輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),然后輸出預(yù)測值發(fā)布預(yù)警信息,最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行HTTP協(xié)議遠(yuǎn)程發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及預(yù)警信息,為氣象部門進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供保障。

        關(guān)鍵詞 氣象要素;多傳感器融合;數(shù)據(jù)處理;物聯(lián)網(wǎng);氣象監(jiān)測

        隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以及人類活動(dòng)的加劇,導(dǎo)致自然界環(huán)境遭到破壞,人類自身生存的環(huán)境也遭到破壞,環(huán)境不斷惡化。為進(jìn)一步做好全國環(huán)境保護(hù)污染自動(dòng)監(jiān)測控體系建設(shè),提高環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量,增強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性,準(zhǔn)確性和可靠性,根據(jù)《污染源自動(dòng)監(jiān)控管理辦法》的有關(guān)要求,借助先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),云平臺(tái)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立全國性的環(huán)保監(jiān)測信息系統(tǒng)。

        引言

        智能環(huán)境利用各種傳感器技術(shù)[1],移動(dòng)計(jì)算,信息融合等技術(shù)對(duì)空氣環(huán)境、海洋環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、城市環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行全面有效地監(jiān)控。通過網(wǎng)關(guān)連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享,輸出預(yù)測值發(fā)布預(yù)警信息等領(lǐng)域的研究。

        1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于:包括溫度(AM2320)、濕度(AM2320)、氣壓(BMP180)、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量六種模塊傳感器、網(wǎng)關(guān)控制器(ARM)、存儲(chǔ)卡(SD卡)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)(oneNet)。其中,溫度和濕度傳感器(AM2320)采用單總線方式與網(wǎng)關(guān)控制器(ARM)通信,其作用是探測大氣環(huán)境的溫濕度信息;氣壓傳感器(BMP180)

        采用IIC接口與網(wǎng)關(guān)控制器通信(ARM),其作用是探測大氣環(huán)境的大氣氣壓;風(fēng)速風(fēng)向傳感器通過網(wǎng)關(guān)控制器(ARM)的AD口讀取風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù);雨量傳感器采用485接口與網(wǎng)關(guān)控制器(ARM)通信,其作用是監(jiān)測大氣環(huán)境的降雨量信息;SD存儲(chǔ)卡主要是用來保存六要素?cái)?shù)據(jù)的信息;物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)(oneNet)將遠(yuǎn)程訪問、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)信息及預(yù)警信息,為氣象部門的實(shí)驗(yàn)分析做好準(zhǔn)備[2]。

        2系統(tǒng)工作原理

        采用六種環(huán)境傳感器對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過Tensor Flow數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)集預(yù)訓(xùn)練模型輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),然后輸出預(yù)測值發(fā)布預(yù)警信息,最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)控制器進(jìn)行HTTP協(xié)議遠(yuǎn)程發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及預(yù)警信息,為環(huán)境部門進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了保障。該發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)集多種傳感器于一身的微型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[3],并結(jié)合深度學(xué)習(xí)AI技術(shù),克服了傳統(tǒng)的氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、智能化低等缺點(diǎn),并可靈活地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享及預(yù)警信息,同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單,使用的便捷性好,智能化高等優(yōu)勢[4]。

        3數(shù)據(jù)測量及處理

        3.1 數(shù)據(jù)處理

        采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,將通過一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式(JSON)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換到理想的數(shù)據(jù)格式后,再通過Requests.post()函數(shù)發(fā)送請(qǐng)求,通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程訪問及數(shù)據(jù)共享等功能[5]。

        3.2 數(shù)據(jù)保存

        采用Python語言開發(fā)設(shè)計(jì),首先,通過open()函數(shù)新建文本文件,再以‘a(chǎn)追加模式打開文本文件,然后調(diào)用write()函數(shù)向文本文件中寫入大氣環(huán)境探測的數(shù)據(jù),最后經(jīng)close()函數(shù)關(guān)閉文本文件,同時(shí)保存文件的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存功能。

        4系統(tǒng)測試

        數(shù)據(jù)處理后,要進(jìn)行六要素氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)的設(shè)置[6]。其中,除了風(fēng)向氣象要素僅需要設(shè)置風(fēng)向上下限數(shù)值外,氣溫、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速和雨量均需要設(shè)置三項(xiàng)參數(shù)的上、下限值,即“傳感器界限”、“氣候極值”和“氣候?qū)W界限”。其中“傳感器界限”根據(jù)傳感器本身測量范圍進(jìn)行設(shè)置。“氣候極值”則是根據(jù)當(dāng)?shù)赜杏涗浺詠淼臍夂驑O大值和極小值。氣候?qū)W界限是根據(jù)氣候?qū)W界的各氣象參數(shù)的極大值和極小值。超過警戒值時(shí),系統(tǒng)發(fā)出“滴滴”的報(bào)警聲,此設(shè)置主要是剔除接收的氣象數(shù)據(jù)中明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),同時(shí),也便于對(duì)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的進(jìn)一步優(yōu)化和處理。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“保存更改”按鈕即可完成設(shè)置。

        5結(jié)束語

        基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的大氣環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案選擇與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)測試,可以完成氣象要素?cái)?shù)據(jù)的采集和傳輸,系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。在處理大氣環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)實(shí)時(shí)查看的便捷性和數(shù)據(jù)共享的有效性,增強(qiáng)了智能化設(shè)計(jì),但還需要注意氣象要素采集的數(shù)據(jù)精度問題。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 李莉,袁婧,吳偉超.空氣監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中氣象傳感器的應(yīng)用[J].綠色科技,2020(6):171-173.

        [2] 張軍.空氣污染天氣過程與氣象要素之間的關(guān)聯(lián)性分析[J].環(huán)境與發(fā)展,2020,32(4):185-186.

        [3] 韓琛曄.基于STM32嵌入式微處理器的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2020,43(5):10-13,18.

        [4] 孫寧,張穎超,毛偉民,等.基于云服務(wù)器的自動(dòng)氣象站設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2020,43(15):148-151.

        [5] 王俊波.傳感器綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2020,10(8):114-115,118.

        [6] 王新華,陳東,羅林,等.基于ARM架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)在自動(dòng)氣象監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用:以NVST氣象站為例[ED/OL]. http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/23477,2020-8-26.

        作者簡介

        董天天,男;學(xué)歷:碩士研究生,職稱:教師,現(xiàn)就職單位:江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,電子信息工程學(xué)院,研究方向:模式識(shí)別與智能系統(tǒng)。

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