CN104713600A - 融合ZigBee和GIS技术的城市大气环境实时动态监测系统 - Google Patents

Abstract

针对城市大气环境污染问题，融合ZigBee和WebGIS技术研发了城市大气环境实时动态监测系统,它包括若干监测点、一个数据传输网络、一个数据监测中心和一个在线服务系统。该系统分为感知层和应用层。系统感知层是基于ZigBee无线自组网技术的硬件无线传感网，负责城市大气环境监测指标的实时动态采集与传输；系统应用层是基于WebGIS的城市大气环境实时动态监测软件系统，该系统监测城市大气环境分布与实时动态变化，精确定位污染源地理位置并预警污染事故的发生。感知层与应用层通过GPRS方式实现数据的双向传输，系统的数据管理采用Oracle11g实现。运行结果表明，该系统实现了对大气环境监测数据的自适应采集以及实时、可靠地高效传输，为城市大气环境治理提供可靠的技术支持。

Description

融合ZigBee和GIS技术的城市大气环境实时动态监测系统

技术领域

本发明是针对大气环境污染问题，研发的一种城市大气环境实时动态监测系统。主要用于城市各种污染气体及固体颗粒的监测与显示，精确的定位污染源的位置并预警污染事故的发生。

背景技术

良好的大气环境对人类和动植物的生存以及健康成长至关重要，而城市的高速发展却带来了土壤环境、水环境以及大气环境等严重污染问题。城市大气污染已导致全球性的环境问题，如温室效应引起的全球变暖，使极地冰川融化，导致低海拔地区被海水淹没。在我国，大气环境污染尤为严重，污染的城市大气环境不但进一步加剧了像热岛、干岛、逆温、城市风、雾霾天气等城市气候现象，而且还严重影响城市居民的身心健康及经济发展。造成城市大气环境污染的因素，以城市道路交通、工业生产加工、冬季燃煤燃气供暖、火力发电燃煤及建筑等行业为主，且家庭内部的建筑装修以及烹饪过程中所产生的甲醛等有害物质也会造成城市大气环境污染。

上世纪50年代至今，环境监测技术主要经历了4个阶段。上世纪50年代以化学性分析为主的被动监测阶段；上世纪60年代以对污染源监测为主的主动监测阶段；上世纪70年代开始进入自动监测阶段；上世纪80年代开始将遥感测控技术、地理信息系统技术和全球定位系统技术应用到环境监测。

目前，美国将在未来几十年内建立起全国性的空气监测站，实现对大气环境的全方位监测；挪威的ENSYS公司正致力于研发专业的环境监测软件；日本国内的大型企业，如尼康、佳能等，都加大了对环境监测系统的研发投入。而在我国，仅国内的一线大城市出台了环境监测管理办法，且大部分城市都未实现数据的在线监测，以手工监测为主。这种监测方法不仅效率低下，且有损监测人员的身体健康，不能较好的满足我国当下大气环境监测管理的要求。因此，有必要建立起一套全新的,拥有现代信息处理技术、现代科学技术、最新网络技术和现代信息管理模式的,网络化、自动化的环保综合信息系统。

在现有的技术手段中“200810005137.0环境监测系统”、“201010191465.1一种远程环境监测系统”、”201310157585.3一种环境监测系统”、“201410141455.5一种用于温室气体排放通量监测的自动气体样品采集站”和“201210364718.X一种大气能见度测量系统”，仅是对大气环境中的各种数据进行单纯的采集和传输，并未对采集到的数据进行深入的分析和挖掘，以便更好的展现当下的环境现状，为环境的治理提供有力的数据支持。

“200910109650.9在线臭氧分析方法及臭氧分析仪”将计算机控制及微机控制引入到对臭氧的数据采集和分析，“201310048783.6一种云存储环境数据处理方法、系统及设备”公开了一种云存储服务器的信息，提高了数据存储的可靠性。以上方法虽然对监测到的数据进行了初步的分析和处理，但并未将分析的结果应用到生产实践中去。

“20121014601.5一种突发性水质污染事故模拟仿真及可视化漫游技术”强调采用B/S三层网络架构，但并未将该方法应用于大气环境监测。“201310681852.7一种用于大气环境监测的可视化系统”将采集到的环境数据进行了可视化显示，但是该系统只是将各种形式的数据进行汇总分析，并未提供一种高效的数据组织方式。“201110049280.1基于数据挖掘的最优炉温设定值优化系统”和“201110394244.9一种基于数据挖掘的海洋灾害专家报警系统”均提供了一种数据挖掘方法，但是均未将其应用于大气环境治理。

“200910232309.2一种基于zigbee技术的水文监测平台”、“201110137307.2一种基于无线传感器网络的温湿度计节点及湿度监测方法”、“201110420546.9基于zigbee技术的农田监控系统”、“201110443545.6基于zigbee与GPRS的变频灌溉远程监控系统”和“201310138619.4基于zigbee技术的风速监测系统”均将Zigbee应用到数据采集中去，但并为将zigbee技术和GPRS技术应用于大气环境监测。

发明内容

针对以上问题，本发明主要用于实现对大气环境数据的自适应采集以及实时、可靠地高效传输，并对采集到的数据进行数据挖掘，结合WebGIS技术对采集和分析结果进行实时的显示。并开发配套的服务器和手机软件，为环境治理提供技术支持，为普通市民提供环境信息查询服务。

为了实现上述功能，它包括若干监测点、一个数据传输网络、一个数据监测中心和一个在线服务系统。而设计整体又可划分为系统感知层和系统应用层两部分。

系统感知层，即大气环境实时动态监测无线传感网络硬件系统，采用基于ZigBee的无线自组网技术和GPRS无线传输技术，实时定位监测大气环境中的相关数据信息。城市具有明显的空间地域性，因此，按城市区域的功能、面积和人口密度等因素将其划分并铺设为多个ZigBee传感子网。在Zigbee传感子网的设计中，只使用到路由器节点和协调器节点。

在路由器节点的设计中，将路由器节点的硬件设计划分为Zigbee组网核心功能版和环境监测数据采集板两部分，二者通过排线连接。数据采集板负责该路由器所在位置大气中CO、O₃、NO₂、SO₂、温湿度、粉尘以及风速等参数的采集，Zigbee通信核心板负责将采集到的数据转发给上层路由器。

协调器节点的设计中，将协调器的设计同样划分为Zigbee组网核心功能板和GPRS通信板两部分，二者通过排线连接。协调器负责汇总来自该子网内的所有数据，然后由GPRS模块将来自协调器的数据转发到环境监测总站。

本发明在ZigBee子网络的铺设上，为节约成本并方便供电，采取了沿街道走向静态铺设环境监测节点并同时在标志性建筑物、污染源等特殊区域适当增加环境监测采集节点的方法，构成树状网络拓扑结构。每个子网络中均设置两种节点，即协调器节点和路由器节点。协调器节点负责建立整个ZigBee监测子网，并汇总来自各子网路由器节点的大气环境监测数据，再经GPRS无线传输至系统应用层；各路由器节点，集成终端采集节点的功能，既采集自身所处位置的大气环境监测数据又接收其子节点路由器的发送数据，并将两种数据汇总后传递至父节点路由器。

系统应用层，是基于B/S架构的城市大气环境实时动态监测WebGIS系统，在对大气环境无线传感网各节点有效管理的基础上，实时动态采集、监视并统计分析环境监测数据的空间分布与动态变化，及时预警污染事故的发生。

为了对大气环境更直观地监视与控制，各监测数据的实时采集、显示以及统计分析后形成的各种专题图是在城市空间地域上进行的空间展布，所以系统应用层的开发应用了地理信息系统。

本发明提供了一种故障处理机制，当Zigbee网络故障时，Zigbee节点会根据信号传输路径最小原则，重新选择路径入网。如果再次入网仍不成功，Zigbee节点便会将其采集和接收到的数据存储在该节点的存储单元内，以便网络通信恢复后的数据恢复。

本文中应用层的研发，采用ESRI ArcGIS Sever 9.3作为地理信息系统GIS开发服务平台，以Java作为应用层的开发语言，其数据管理则采用了Oracle11g。研发的系统应用层是基于B/S模式的网络地理信息系统WEBGIS，实现对城市大气环境变化的实时动态监测，为环境治理提供技术支持。

系统在数据划分上，分为基础地理空间数据库、实时监测数据库、综合分析数据库和专家知识数据库。用于实现对系统数据的分类管理。

该发明中通过java开发了系统界面和手机软件，用户可以通过web网页和下载手机终端访问大气环境监测服务器，获得以地图形式显示的各种环境信息。

本发明的优点：1、采用Zigbee作为组网设备，具有自组网功能，易于添加和删除各采集节点，易于实现对整个网络的管理。2、采用Oracle11g对采集到的数据进行管理，数据可以共享、独立性高、冗余小，易移植，便于统一管理和控制。3、该发明能够通过对数据库中知识规则和数据的推理，模拟专家进行启发式推理、判断，并评估环境污染等级，启动污染报警。4、将WebGIS系统应用到大气环境监测，实现了对环境监测结果的图形化展示和远程访问。5、本发明开发了手机软件，为普通用户提供了一种便捷的访问方法。

附图说明

图1是本发明的系统网络拓扑结构示意图

图2是本发明的基于Zigbee的监测子网节点铺设示意图

图3是本发明的Zigbee通信核心功能板结构示意图

图4是本发明的数据采集板结构示意图

图5是本发明的GPRS通信板结构示意图

图6是本发明的协调器组网软件流程图

图7是本发明的路由器节点功能流程图

图8是本发明的系统应用层技术架构图

图9是本发明的数据存储流程图

图10是本发明的网络节点管理界面

图11是本发明的环境质量专题图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，系统整体划分为系统感知层和系统应用层两部分，系统感知层，即大气环境实时动态监测无线传感网络硬件系统，采用基于ZigBee的无线自组网技术和GPRS无线传输技术，实时定位监测大气环境中的相关数据信息。城市具有明显的空间地域性，因此，按城市区域的功能、面积和人口密度等因素将其划分并铺设为多个ZigBee传感子网。本发明在ZigBee子网络的布设上，为节约成本并方便供电，采取了沿街道走向静态铺设环境监测节点并同时在标志性建筑物、污染源等特殊区域适当增加环境监测采集节点的方法，构成树状网络拓扑结构。每个子网络中均设置两种节点，即协调器节点和路由器节点。每个路由器节点上连接有各种传感器，数据首先经传感器采集后，由路由器节点传输给下一级路由节点直至协调器，再由协调器将数据传输给GPRS模块，GPRS模块将数据传输给环境监测中心，由环境监测中心实现数据的存储、数据的统计、专题渲染、实时监测、网络管理、环境分析和信息发布等功能。

如图2所示，安装有传感器的路由器节点沿街道铺设，若两个带传感器的路由器节点的距离较远，则在两者中间添加一个未集成传感器的路由节点，考虑到道路转弯处，信号可能会被高层建筑阻挡，在街道拐弯处同样加装一个未集成传感器的路由节点。通常情况下数据的传输按照一定的方向，如：R14-R15-R16-R17-H1。一旦路由器R16发生故障，则路由器R15在向R16多次转发数据未成功的情况下，便会按照就近原则经R15-R21-R17-H1,将数据和故障信息传输下去。该方法提高了数据传输的稳定性。

如图3所示，Zigbee通信核心功能板，采用CC2530芯片，作为控制核心，采用CMOS方案，内部使用频率为2.4GHz的射频发射器和增强型8051内核，发射功率为4.5dBm，可在IEEE 802.15.4协议标准下建立起庞大的网络节点，并具有低功耗、低成本且组网灵活等特性。加装CC2591射频发射功率放大器，用以提高信号传输的可靠性并延长数据传输的距离。功能板上的电压模块AMS117，分别为该功能板提供5V供电电压和3.3V的运行电压。存储单元用于通信网络故障状态下的数据存储。

如图4所示，数据采集板具有对CO、O₃、NO₂、SO₂、温湿度、粉尘以及风速传感器监测数据进行采集的接口和便于对路由器节点进行故障诊断和调试的电路(由PL2303构成的串口电路)，LED1、LED2和LED3分别是组网成功指示灯、正常工作指示灯和故障诊断与调试指示灯；MQ-7为CO气体传感器；2SH12为SO₂气体传感器；WSP1110为半导体型NO₂传感器；MQ131为臭氧传感器；GP2Y1010AU为粉尘传感器；SHT11为温湿度传感器；风速传感器为三杯式风速传感器。图3中的双排排针P1和图4中的双排排针P2对接，可实现Zigbee组网核心功能板与数据采集板之间的集成与通信。

如图5所示，GPRS通信模块是华为GPRS通信模块GTM900C，其核心芯片TC351，支持标准的GSM命令，通过芯片启动电路、SIM卡读取模块经MAX232串口调试电路实现对ZigBee核心功能板汇集数据的采集与GPRS传输。该模块的供电电压为12V，其运行电压为5V。ZigBee通信核心板为5V供电电压和3.3V运行电压，不同于GPRS通信模块的供电电压和运行电压。因此，在GPRS模块上增设了MAX3232芯片构成的串口通讯电路，通过AMS1117电压芯片将GPRS模块的5V运行电压转换成3.3V的电平电路给MAX3232供电，以解决ZigBee通信核心板和GPRS通信核心板上串口通信的TTL电平不兼容问题，并将GPRS通信核心板上RS232信号端口的RX和TX分别连接ZigBee通信核心板上RS232信号端口的TX和RX。另在GPRS通信核心板上增设2个双排排母P1与P2,可分别与ZigBee通讯核心板的两排排针P1和数据采集板的两排排针P2连接，实现板间的通信。

如图6所示，为协调器节点组网软件流程。协调器节点上电启动后首先对信道进行能量检测扫描，并选出满足能量水平的信道。之后，通过检查PAN标识符，查找出最小编号的信道，即为新建网络的最优信道。若找到合适的信道，则为新建网络选择一个唯一的PAN标识符，表明已经成功建立网络；否则，将终止建网过程，并返回建网失败信息。成功建网的协调器，若发现其他设备扫描信道就会响应并声明它的存在，以确保每个子网络都具有唯一的用于标识网络唯一性和存在性的16位PANID，用于标识协调器在网络中的角色并便于数据通信，范围为0x0000—0xffff。网络建立后，协调器等待路由器节点的入网请求。当协调器接收到路由器的入网请求后，会根据地址匹配、路由器节点容量是否已满等来判断是否允许路由器入网，并且发送信息给路由器。如果允许路由器入网，协调器则会在网络邻居表中给新入网的路由器创建新的入口，并且自动给路由器节点分配唯一的网络地址。而成功加入网络的路由器在经过协调器验证之后，也会更新自己的网络邻居表。至此，路由器入网成功。

如图7所示，为路由器节点功能实现流程图。路由器节点一上电，首先初始化各软硬件，然后再向协调器节点发出入网请求。路由器节点一旦得到协调器的允许入网响应，就会成为此网络的子节点，否则，路由器节点需再次向协调器节点发出入网申请并直到收到响应为止。此外，路由器节点采用休眠与唤醒机制来降低功耗，不工作时路由器节点处于休眠状态；当定时时间到，路由器节点的CPU就会被唤醒，然后立即对传感器进行实时数据采集并传输。本发明中，各路由器节点上，设置传感器的轮询周期为2s，设置其数据采集周期为20s。如果该路由器节点收到其他路由器发来的数据，它的CPU将会被中断叫醒进行消息处理并立即转发数据；若采样周期到，则进行数据采集并转发采集到的数据

如图8所示，为了对大气环境更直观地监视与控制，感知层的大气环境无线传感网是按照城市地理空间的功能区域进行空间分布，各监测数据的实时采集、显示以及统计分析后形成的各种专题图也应是在城市空间地域上进行的空间展布，所以系统应用层的开发采用了地理信息系统。本文中应用层的研发，采用ESRI ArcGIS Sever 9.3作为地理信息系统GIS开发服务平台，以Java作为应用层的开发语言，其数据管理则采用了Oracle11g。研发的系统应用层是基于B/S模式的网络地理信息系统WEBGIS，实现对城市大气环境变化的实时动态监测，为环境治理提供技术支持。系统在数据划分上，分为基础地理空间数据库、实时监测数据库、综合分析数据库和专家知识数据库。基础地理空间数据库用于实现对城市地理空间信息和网络采集节点信息的管理；实时监测数据库用于实现对环境采集数据、采集节点工作状态和网络运营状态的管理；综合分析数据库用于实现环境数据统计分析、网络节点运行状态统计分析和各节点运行状态统计分析；专家知识数据库用于存储环境等级衡量标准、环境状况预测算法、环境治理方法和网络节点运营评价方法。

如图9所示，为Zigbee网络通信发生故障时，通过图2所示的最短路径法仍不能建立起新的网络连接时。故障处前的首个Zigbee路由器便会自动将该路由节点采集和接收到的数据存储在基于51单片机的存储单元中。其工作流程如下：Zigbee路由器检测到无法将数据有效的传输至下一路由器节点并无法建立起新的连接时，便向通信功能板中的51单片机发出信号传输申请，待接到单片机的肯定应答后，便开始将数据传输至与单片机连接的存储单元，待故障恢复后，再将数据经Zigbee网络传输至环境监测中心。

如图10所示，为系统的网络节点管理界面。系统实时侦听并监测各子网中协调器节点和路由器节点的入网状态是否正常，并对各节点上的传感器进行异常诊断，以实现对感知层大气环境监测无线传感网络的网络管理；实现对新增入网或已离网的路由器/协调器节点以及各传感器的增加与删除等管理与维护功能。

如图11所示，为系统根据专家知识，对实时采集的大气环境监测数据进行统计分析，渲染大气环境变化趋势，对城市区域环境质量等级进行空间地域划分，产生的环境质量专题图。

本发明是针对大气环境污染问题，研发的一种大气环境实时动态监测技术系统，采用Zigbee无线自组网技术研发了系统感知层的无线传感网，实现对大气环境相关参数的实时动态采集与传输，实现了低成本运行；通过GPRS技术实现了系统感知层和应用层间的数据交互，实时动态采集并传输大气环境监测数据至系统应用层；采用地理信息系统GIS技术和数据库技术研发了B/S模式下基于WEBGIS的系统应用层，实现了在城市地域空间上对大气环境采集数据的实时动态监测与统计分析，能更直观的展示城市各区域大气环境的质量状况、污染程度、发展趋势。该系统组网灵活、易布设、易维护，为城市大气环境的监视与控制提供了良好的技术支撑与数据依据，具有良好的应用和推广价值。

本发明未公开涉及到该系统设计的某些具体技术细节及参数，但对系统的实施方案进行了详细的描述。凡是利用本发明的思想且在权利要求范围内的任何创造均在保护之列。

Claims (15)

1.该系统用于大气环境实时动态监控，并以WebGIS的地图为背景进行显示；它包括：多个数据采集终端、多条Zigbee通信子网、多个GPRS通信模块、一个环境监测中心，一个WebGIS服务器、数据库和多个显示终端，其中数据采集终端上又有多个监测用传感器；其工作流程如下：

(1)数据采集终端上的传感器对大气中的各种成分的含量进行检测；

(2)监测数据由数据采集终端上的路由器节点，转发给上级路由器；

(3)监测数据经层层上传，传输至子网协调器；

(4)子网协调器将来自该子网所有路由器数据进行汇总，然后传输给与该协调器连接的GPRS模块；

(5)GPRS模块将接收到的数据传输到环境监测中心；

(6)环境监测中心对来自各GPRS模块的数据进行汇总和归类，然后存储到对应数据库；

(7)环境监测中心对数据进行分析和挖掘，并将分析结果反馈给WebGIS服务器，实现与WebGIS的信息交互；

(8)WebGIS服务器将各种处理结果，显示在以基本地图为背景的界面上；

(9)用户和管理人员可以通过Web浏览器和手机移动终端访问WebGIS服务器，获得需要的信息。

2.如权利要求1所述，将Zigbee技术应用到大气环境监测系统的数据采集和传输。

3.将Zigbee局域网和GPRS模块结合起来，由Zigbee网络对数据进行采集和汇总，由GPRS模块对汇总后的数据进行发送。

4.每一个终端节点有一个唯一的识别号，它通过通信网络发给环境监测中心的信息包括该唯一识别号，实时时间、设备故障信息和环境监测数据。

5.其特征在于信息采集和传输部分，以无线的形式进行传输，并接入到移动通信网络。监管中心和用户端通过TCP/IP网络协议接入Internet，实现数据的管理和访问。

6.实现环境监测数据的储存，管理，查询以及与WebGIS的信息交互。

7.如权利要求1所述，在基本地图背景上，以图元和文本的形式将被监测到的内容显示在地图的对应位置上。

8.基本信息的管理，对安装在城市各处的网络节点设备进行新建、修改、添加和删除等操作。

9.历史数据查询和分析，对数据库内某时间范围内的基本信息、故障信息以及维修信息进行数据查询、统计和报表。

10.故障信息的管理，对设备的故障信息数据进行新建和删除，并将故障信息显示在WebGIS页面上。

11.当Zigbee网络故障时，会以最小路径的原则，建立起新的信号传输路径。

12.每个通信核心功能板上安装有基于51单片机的数据存储单元，用于故障时刻的数据存储。存储单元的控制芯片为51系列单片机或ARM处理器等均在权利要求范围之内。

13.维修信息管理，对备用设备的剩余数量和储存位置、维修历史记录等进行统一管理。

14.系统在数据划分上，分为基础地理空间数据库、实时监测数据库、综合分析数据库和专家知识数据库；基础地理空间数据库用于实现对城市地理空间信息和网络采集节点信息的管理；实时监测数据库用于实现对环境采集数据、采集节点工作状态和网络运营状态的管理；综合分析数据库用于实现环境数据统计分析、网络节点运行状态统计分析和各节点运行状态统计分析；专家知识数据库用于存储环境等级衡量标准、环境状况预测算法、环境治理方法和网络节点运营评价方法。

15.该系统提供的工程信息查询功能是以图标以及卫星地图的方式实现的。