CN103701931A - 一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统 - Google Patents

一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统 Download PDF

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蔡蕊
许晓天
韩秀玲
邓昶
谭志君
董林莲
赵晓健
孙智乐
陈一志
孙真真
易红霞
韩蓉
彭澄澄
管洪运
李德敏
陈�光
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Abstract

本发明公开了一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，包括传感层，传输层和应用层，传感层通过传输层与应用层连接，传感层包括传感器和数据采集模块，应用层包括云数据处理中心、中间层和显示层。本发明具有实用性、共享性、即时性、高效性、便捷性高，有效地帮助相关人员准确定位污染源的位置，并且能够达到足够的重视及时作出相应处理以及让大众了解治理情况等特点。

Description

一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统
技术领域
本发明涉及一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，属于数据采集及管理技术领域。
背景技术
在经济迅速发展的今天，所带给我们的是优越的物质生活，但是却带来了严重的环境问题，可持续发展的提出也让我们对于环境污染的问题重视了起来，如何对环境的数据进行采集，准确定位污染源的位置，并且能够让相关人员重视环境污染问题、及时作出相应处理以及让大众了解治理情况，从而真正达到环境的保护，切实做到改善环境污染问题的目的，已成为现阶段环境数据采集及管理系统研究的重点。
无线传感网络技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于环境科学、国防军事、火灾预测、交通管理医疗卫生、城市信息化建设等领域。无线传感器网络(WSN)是由许多功能相同或不同的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据采集模块(传感器、A／D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、DC／AC能量转换器)等组成。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(Dumb Sensor)→智能传感器(Smart Sensor)→嵌入式Web传感器(Embedded Web Sensor)的内涵不断丰富的发展过程。
ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中设备的可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。
云计算是分布式计算(Destriuted Computing)、并行计算(ParallelComputing)和网络计算(Grid Computing)的发展，是这些科学概念的商业实现，它也是一种新的基础架构管理方法，是一种有效资源的合理共享，它能够把大量的、高度虚拟化的资源管理起来，组成一个庞大的资源池，统一提供服务。云计算平台也称为云平台。云计算平台可以划分为3类：以数据存储为主的存储型云平台，以数据处理为主的计算型云平台以及计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台。它的主要架构分为显示层以及中间层，多数据中心云计算架构显示层主要是用于以友好的方式展现用户所需的内容，并会利用到下面中间件层提供的多种服务，主要有五种技术：HTML、JavaScript、CSS、Flash、Silverlight；中间层是承上启下的，它在下面的基础设施层所提供资源的基础上提供了多种服务，比如缓存服务和REST服务等，而且这些服务即可用于支撑显示层，也可以直接让户调用，并主要有五种技术：REST、多租户、并行处理、应用服务器、分布式缓存。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：在基于zigbee技术对环境数据采集的基础上提供一种提高了实用性、共享性、即时性、高效性、便捷性的基于云平台的远程环境数据管理监控系统，有效地帮助相关人员准确定位污染源的位置，并且能够达到足够的重视及时作出相应处理以及让大众了解治理情况，从而达到“美丽中国”、“可持续发展”的美好愿景，解决了如何对环境的数据进行采集，准确定位污染源的位置，并且能够让相关人员重视环境污染问题、及时作出相应处理以及让大众了解治理情况，从而真正达到环境的保护，切实做到改善环境污染问题的目的。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，包括传感层，传输层和应用层，传感层通过传输层与应用层连接，传感层包括传感器和数据采集模块，应用层包括云数据处理中心、中间层和显示层。
优选地，所述的云数据处理中心包括数据整合模块、数据分类模块、数据清洗模块、数据审核模块、数据存储模块和数据调用模块。
优选地，所述的传感器包括PM2.5传感器、SO2传感器、NO2传感器、土壤铅离子传感器和水质铅离子传感器。
优选地，所述的云数据处理中心处理数据包括以下步骤：
步骤(1)：将通过传感器采集来的数据以及使用云平台APP用户所拍摄的环境状况数据通过数据整合模块进行整合；
步骤(2)：通过数据分类模块给海量整合后的数据按照一定的规则进行分类编号；
步骤(3)：对清洗过的数据通过数据清洗模块将那些无法识别、没有可取信息、重复的数据进行清洗过滤；
步骤(4)：通过数据审核模块审核清洗下来的数据，确保将被放进云数据中心的数据是真正安全的，审核通过则进入步骤(5)，审核不通过则返回步骤(3)，对数据进行重新进行清洗；
步骤(5)：对于审核通过的数据通过数据存储模块将其放入云数据中心存储；
步骤(6)：通过数据调用模块调用云数据中心中的数据，并在显示层上显示。
优选地，所述的步骤(2)中给数据进行分类编号是通过KNN法进行的。
优选地，所述的步骤(4)中审核清洗下来的数据是利用逻辑审核规则对数据进行审核。
优选地，所述的步骤(6)中通过数据调用模块(14)调用云数据中心中的数据是利用数据库的相关语言对存储在云数据中心的数据进行调用视图。
优选地，所述的显示层为环境监测中心、手机或者计算机。
本发明具有以下的优点：
1、有效地帮助相关人员准确定位污染源的位置，并且能够达到足够的重视及时作出相应处理以及让大众了解治理情况，可有效增加民众参与环保的积极性，以及对于工作人员工作效果的监管力度，从而切实达到治理环境污染的目的，最终实现“美丽中国”的美好愿景。
2、采用了云计算技术，它的服务无处不在，用户只需要一台具备基本计算能力的计算设备以及一个有效的互联网连接，就可以随时随地使用该服务，这是一个完全为用户着想的平台，不需要另外更换更加先进的具备大规模运算能力的计算设备，方便用户的使用。
3、采用云平台技术，提高了环境数据管理监控系统的实用性、共享性、即时性、高效性、便捷性，这是一个新兴的技术也是一个新网络时代的到来，使用云技术是大势所趋。
附图说明
图1为一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统的结构示意图；
图2为数据采集模块的结构示意图；
图3为云数据处理中心的结构示意图。
其中：1为传感层，2为传输层，3为应用层，4为传感器，5为数据采集模块，6为云数据处理中心，7为中间层，8为显示层，9为数据整合模块，10为数据分类模块，11为数据清理模块，12为数据审核模块，13为数据存储模块，14为数据调用模块，15为PM2.5传感器，16为SO2传感器，17为NO2传感器，18为土壤铅离子传感器，19为水质铅离子传感器。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其包括传感层1、传输层2和应用层3(即云平台)，传感层1通过传输层2将数据传输到应用层3，传感层1由若干个传感器4以及数据采集模块5组成，应用层3(即云平台)包括云数据处理中心6、中间层7(即云数据中心)和显示层8(即云平台应用的显示界面)。
云数据处理中心6、中间层7(即云数据中心)和显示层8(即云平台应用的显示界面)组成数据管理监控系统。
显示层8(即云平台应用的显示界面)安装于远程位置，可以是环境监测中心，也可以是任何手机以及计算机用户，传输层2只要有网络存在便可以传输数据，传感层1安装于各个环境监测点。
传感器4和数据采集模块5组成传感层1，将数据通过传输层2传输到应用层3(即云平台)。
如图2所示，数据采集模块5连接了一系列的传感器4，其中传感器4包括包括PM2.5传感器15、SO2传感器16、NO2传感器17、土壤铅离子传感器18和水质铅离子传感器19。
PM2.5传感器15：安装在大气中，用于公共场所环境及大气环境对PM2.5的监测。然后将数据传输给数据采集模块5，该仪器具有测试精度高，性能稳定，多功能性强，方便安装于仪器设备等特点。
SO2传感器16：安装在大气中，主要用于检测空气中的二氧化硫的浓度，然后将数据传输给数据采集模块5，该仪器具有电流灵敏度高，响应时间短，受温度和湿度影响小，稳定性好，本底噪音低的特点。
NO2传感器17：安装在大气中，用于检测空气中的二氧化氮的浓度，然后将数据传输给数据采集模块5，该仪器具有高精度，高分辨率，响应迅速，线性输出等特点。
土壤铅离子传感器18：安装在土壤中，用于检测土壤中铅离子的浓度，其采用高精度土壤铅离子电极，支持标准MODBUS RTU／ACSII工业数据总线协议，采用RS-232／RS-485接口输出能够完成铅数据采集、外部命令校准，自动温度补偿等功能，用户可自定义查询地址，波特率设置。
水质铅离子传感器19：安装在水中，用于检测水质中铅离子的浓度，其采用高精度水质铅离子电极，支持标准MODBUS RTU／ACSII工业数据总线协议，采用RS-232／RS-485接口输出能够完成铅数据采集、外部命令校准，自动温度补偿等功能，用户可自定义查询地址，波特率设置。
如图3所示，云数据处理中心6包括数据整合模块9、数据分类模块10、数据清洗模块11、数据审核模块12、数据存储模块13和数据调用模块14。
数据整合模块9：使用SaaS方案来对传感器4采集来的数据以及使用云平台APP用户所拍摄的环境状况数据进行整合，以便于之后的应用，这个应用能够做到更加安装方便快捷，对数据的整合高效而省力。
数据分类模块10：由于整合的海量数据的数量是巨大的，信息是不完全的、模糊的、随机的，因此数据分类模块10就是将海量的数据按照KNN法(邻近算法，或者说K最近邻(KNN，k-NearestNeighbor)分类算法。所谓K最近邻，就是K个最近的邻居的意思，说的是每个样本都可以用她最接近的K个邻居来代表。)来进行分类编号，以便之后对于数据的处理，KNN法是较为成熟的方法，而且思路简单直观，如果一个样本在特征空间中的K个最相似的样本中的大多数属于某一个类别，则该样本也属于这个类别，这个方法在定类决策上只依据最邻近的一个或者几个样本的类别来决定待分样本所属的类别，该算法适用于容量较大的类域的自动分类，适合本发明对大量数据的分类。
数据清洗模块11：对于分类过的数据，并不是所有的数据都是有用的，甚至有些数据时重复的，数据清洗模块11便是将那些无法识别、没有可取信息、重复的数据进行过滤，计算字段值的最大、最小值、均值、标准差等统计值利用统计分析、人工智能等方法对数据惊醒属性清洗；对字段值信息进行统计，利用基于编辑距离的字段匹配算法和缩写发现算法进行字段的匹配，并且基于有效权值和长度优化算法进行重复记录的检测清洗，使用的Delphi语言也相对简单便于修改。这也减轻了云数据中心中存储数据的数据库的负担。
数据审核模块12：对于清洗下来的数据进一步进行审核，以确保将被放进云数据中心数据的安全，利用逻辑审核规则对数据进行审核，审核通过则进入下一步入库，审核不通过则返回上一步，对数据进行重新进行清洗。
数据存储模块13：对于审核通过的数据，为保证高可用、高可靠和经济性，云计算采用分布式存储方式来存储数据，用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性。
数据调用模块14：利用数据库的相关语言对存储在云数据中心的数据进行调用视图，调用云数据中心中的数据于显示层以便于相关人员以及民众的监控和监督。
云数据处理中心6处理数据包括以下步骤：
步骤(1)：将通过传感器4采集来的数据以及使用云平台APP用户所拍摄的环境状况数据通过数据整合模块9进行整合；
步骤(2)：通过数据分类模块10给海量整合后的数据按照KNN法进行分类编号；
步骤(3)：对分类过的数据通过数据清洗模块11将那些无法识别、没有可取信息、重复的数据进行清洗过滤；
步骤(4)：数据审核模块12利用逻辑审核规则对数据进行审核，审核清洗下来的数据，确保将被放进云数据中心的数据是真正安全的，审核通过则进入步骤(5)，审核不通过则返回步骤(3)，对数据进行重新进行清洗；
步骤(5)：对于审核通过的数据通过数据存储模块13将其放入云数据中心存储；
步骤(6)：通过数据调用模块14调用云数据中心中的数据，是利用数据库的相关语言对存储在云数据中心的数据进行调用视图，并在显示层8上显示。
显示层8为环境监测中心、手机或者计算机。
本发明为一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其具有数据传输的便捷性、实时性以及高效性。在已有的远程环境数据管理和监控的系统之上，为增加民众的参与度，通过添加客户端相应的APP，实时发送所发现的环境相关问题到环境数据采集终端，该系统的定位功能也可以使得工作人员能够及时对该区的环境问题采取处理措施，同时使得民众还可以实时了解到环境问题解决的情况，以此加大了对工作人员的监管力度，使得环境问题能够得到根治。
本发明主要利用云计算的思想，借助于zigbee技术，致力达到全民环保，随拍随传，及时解决环境问题，因此为打造“美丽中国”的目的构建了一种基于云平台的环境数据管理监控系统。

Claims (8)

1.一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，包括传感层(1)，传输层(2)和应用层(3)，传感层(1)通过传输层(2)与应用层(3)连接，传感层(1)包括传感器(4)和数据采集模块(5)，应用层(3)包括云数据处理中心(6)、中间层(7)和显示层(8)。
2.如权利要求1所述的一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，所述的云数据处理中心(6)包括数据整合模块(9)、数据分类模块(10)、数据清洗模块(11)、数据审核模块(12)、数据存储模块(13)和数据调用模块(14)。
3.如权利要求1所述的一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，所述的传感器(4)包括PM2.5传感器(15)、SO2传感器(16)、NO2传感器(17)、土壤铅离子传感器(18)和水质铅离子传感器(19)。
4.如权利要求2所述的一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，所述的云数据处理中心(6)处理数据包括以下步骤：
步骤(1)：将通过传感器(4)采集来的数据以及使用云平台APP用户所拍摄的环境状况数据通过数据整合模块(9)进行整合；
步骤(2)：通过数据分类模块(10)给海量整合后的数据进行分类编号；
步骤(3)：对分类过的数据通过数据清洗模块(11)将那些无法识别、没有可取信息、重复的数据进行清洗过滤；
步骤(4)：通过数据审核模块(12)审核清洗下来的数据，确保将被放进云数据中心的数据是真正安全的，审核通过则进入步骤(5)，审核不通过则返回步骤(3)，对数据进行重新进行清洗；
步骤(5)：对于审核通过的数据通过数据存储模块(13)将其放入云数据中心存储；
步骤(6)：通过数据调用模块(14)调用云数据中心中的数据，并在显示层(8)上显示。
5.如权利要求4所述的一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，所述的步骤(2)中给数据进行分类编号是通过KNN法进行的。
6.如权利要求4所述的一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，所述的步骤(4)中审核清洗下来的数据是利用逻辑审核规则对数据进行审核。
7.如权利要求4所述的一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，所述的步骤(6)中通过数据调用模块(14)调用云数据中心中的数据是利用数据库的相关语言对存储在云数据中心的数据进行调用视图。
8.如权利要求1或4所述的一种基于云平台的远程环境数据管理监控系统，其特征在于，所述的显示层(8)为环境监测中心、手机或者计算机。
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