CN105049472A - 基于北斗和物联网技术的城市pm2.5监测系统及方法 - Google Patents

基于北斗和物联网技术的城市pm2.5监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，包括：云平台、若干网关设备和多个监测终端设备，各监测终端设备通过北斗卫星与各网关设备通信连接，网关设备与云平台网络通信连接，监测终端设备用以进行PM2.5监测，采集监测数据及位置信息并将采集到的监测数据和位置信息通过北斗卫星发送至网关设备，网关设备用以将接收到的检测数据发送至云平台，云平台用以对接收到的监测数据进行分析、存储及发布。本发明还提供相应的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测方法。本发明能够自动采集设备的位置信息，降低了施工难度，具有方便维护、适用范围广泛、通信稳定且数据监测范围大的优点。

Description

基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统及方法
技术领域
本发明涉及环境监测领域，具体地，涉及一种基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统及方法。
背景技术
随着空气污染特征的转变,空气细颗粒物(PM2.5)污染已成为我国大部分地区雾霾天气形成与恶化的主要原因之一。由于PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，对人体健康和大气环境质量的影响非常大。
目前，PM2.5的危害性已受到国内外专业研究人员的高度重视，世界各国都对PM2.5进行了广泛的监测。在我国，环境监测总站2012年5月下发的《PM2.5自动监测仪器技术指标与要求(试行)》确定了三种PM2.5的自动监测方法，分别是β射线方法仪器加装动态加热系统，β射线方法仪器加动态加热系统联用光散射法，微量振荡天平方法仪器加膜动态测量系统。
但是光有检测方法是不够的，对环境进行大范围，全方位的监测和报告需要完整的监测系统才能实现，这就需要包括PM2.5终端检测设备，信息传输手段，数据传输和存储系统以及数据发布系统。
目前市场上已经有了很多种空气细颗粒物(PM2.5)监测系统，从使用方式上划分主要可以分为以下几个类别：
1、带LCD显示屏幕的单机监测设备，检测信息实时显示在屏幕上，缺点是没有联网功能，不能上报监测到的数据。
2、带以太网连接的网络联网监测终端和数据后台，终端能够通过以太网快速上报信息给数据后台；缺点是移动性不够强，安装施工难度高。
3、带3G/2G通信模块的联网监测终端和数据后台，终端能够通过移动蜂窝网络快速上报信息给数据后台，终端移动性强，安装施工方便；缺点是依赖移动蜂窝网络，不适合野外环境的监测。
另外，以上的PM2.5终端检测设备都不具备自动采集位置信息的能力，在安装的时候需要给设备进行位置勘测和记录，具有一定的施工难度，不适合移动监测任务的执行，也不利于终端产品的维护更换。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，包括：云平台、若干网关设备和多个监测终端设备，各监测终端设备通过北斗卫星与各网关设备通信连接，网关设备与云平台网络通信连接，监测终端设备用以进行PM2.5监测，采集监测数据及位置信息并将采集到的监测数据和位置信息通过北斗卫星发送至网关设备，网关设备用以将接收到的检测数据发送至云平台，云平台用以对接收到的监测数据进行分析、存储及发布；进一步地：
监测终端设备包括空气细颗粒物监测模块、北斗定位和短报文通信模块、主控制器和第一供电模块，其中：
空气细颗粒物监测模块用以进行PM2.5监测，采集监测数据，并将采集到的数据发送至主控制器；
北斗定位和短报文通信模块用以获取测试点的位置信息并将测试点位置信息发送至主控制器，以及，接收主控制器发出的打包信息并进行短报文发送，与北斗卫星通信；
主控制器分别与空气细颗粒物监测模块和北斗定位和短报文通信模块连接，用以控制空气细颗粒物监测模块的工作状态，并将接收到的监测数据和测试点位置信息打包后发送至北斗定位和短报文通信模块；
第一供电模块分别与空气细颗粒物监测模块、北斗定位和短报文通信模块和主控制器连接，用以提供电力；
网关设备包括网络通信模块、北斗短报文通信模块、网关控制器和第二供电模块，其中：
北斗短报文通信模块与北斗卫星通信连接，用以接收监测终端设备通过北斗卫星发出的报文信息并将接收到的报文信息发送至网关控制器；
网关控制器分别与网络通信模块和北斗短报文通信模块连接，用以对接收到的北斗短报文通信模块发送的报文信息进行验证，并将正确的报文信息发送至网络通信模块；
网络通信模块与网关控制器连接，用以将接收到是正确的报文信息通过网络通信发送至云平台；
第二供电模块分别与网络通信模块、北斗短报文通信模块和网关控制器连接，用以提供电力。
优选地，云平台包括：传输接口模块，数据分析模块，数据存储模块和信息发布模块，其中：
传输接口模块用以与网关设备通信，接收网关设备发送的包括监测数据和定位信息的报文信息，并将接收到的报文信息发送至数据分析模块；
数据分析模块分别与传输接口模块和数据存储模块连接，用以对接收到的报文信息及数据存储模块存储的数据进行数据分析，具体数据分析包括以下两方面：
数据有效性分析：分析传输接口模块接收到的报文信息的有效性，将有效的数据发送给数据存储模块；
统计数据分析：对数据存储模块存储的数据进行横向和纵向的对比分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，为环境保护工作提供数据依据；
数据存储模块与数据分析模块连接，用以存储和管理各监测点的空气质量PM2.5数据；
信息发布模块与数据存储模块连接，用以提供信息发布和查询接口，输出各监测点的空气质量实时信息及统计信息。
优选地，监测终端设备还包括计时器，监测终端设备在检测任务的间隙主控制器设置定时唤醒任务，将系统带入低功耗休眠状态，定时器用以唤醒系统。
优选地，云平台与网关设备之间通过以太网或3G/2G网络通信。
根据本发明的另一方面，提供一种基于上述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统的城市PM2.5监测方法，包括以下步骤：
步骤1：监测终端设备进行PM2.5监测，采集监测数据并获取测试点的位置信息，将监测数据和测试点位置信息打包后进行短报文发送，通过北斗卫星发送至网关设备；
步骤2：网关设备对接收到的报文信息进行验证，并将正确的报文信息通过网络通信发送至云平台；
步骤3：云平台对接收到的监测数据和检测点定位信息进行数据分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，并存储各监测点的空气质量PM2.5数据。
优选地，步骤1包括以下步骤：
步骤11：监测终端设备进行系统初始化，主控制器对各个模块进行初始化设置，创建监测策略；
步骤12：根据监测策略，在检测任务的间隙，主控制器设置定时唤醒任务，将系统带入低功耗休眠状态；
步骤13：定时器唤醒系统，主控制器控制空气细颗粒物监测模块进行PM2.5监测，收集监测数据；
步骤14：主控制器控制北斗定位和短报文通信模块，获取测试地点的位置信息；
步骤15：主控制器将PM2.5监测数据和测试点位置信息打包后通过北斗定位和短报文通信模块进行短报文发送至北斗卫星；
步骤16：完成短报文发送后，执行步骤12。
优选地，步骤2包括以下步骤：
步骤21：网关设备系统初始化，网关控制器对各个模块进行初始化设置，北斗短报文通信模块启动北斗短报文接收；
步骤22：网关控制器进入等待任务；
步骤23：北斗短报文通信模块收取到报文信息，发送给网关控制器；
步骤24：网关控制器对报文信息进行验证，将正确的报文信息通过网络通信模块进行传输，发送至云平台；
步骤25：报文信息发送成功以后，系统执行步骤22。
优选地，步骤3中的数据分析包括：
数据有效性分析：分析传输接口模块接收到的报文信息的有效性，将有效的数据发送给数据存储模块；
统计数据分析：对数据存储模块存储的数据进行横向和纵向的对比分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，为环境保护工作提供数据依据。
优选地，步骤3还包括：云平台提供信息发布和查询服务，输出各监测点的空气质量实时信息及统计信息。
本发明将北斗卫星通信技术应用于PM2.5环境监测，通过带北斗定位和短报文通信模块的空气细颗粒物(PM2.5)监测终端，带北斗短报文通信模块的网关设备，具备数据传输、存储、分析和发布能力的数据中心(云平台)三个部分组成了一套移动性强，全区域，全天候工作的空气细颗粒物(PM2.5)监测系统；系统可以满足点对点、点对多点等多种工作方式的实现，且不受地理条件限制，可方便用户灵活配置和组网监测。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的空气细颗粒物(PM2.5)监测终端能够自动采集设备的位置信息，使一种设备同时具备定点监测和移动监测的能力，降低了施工难度，方便维护。
2、本发明的空气细颗粒物(PM2.5)监测终端通过北斗短报文进行信息上报，突破网络施工的问题和对移动蜂窝网络的依赖，能够执行野外监测的任务，适用范围广泛且通信稳定。
3、本发明的具备北斗短报文通信能力的网关设备具有部署方便性和扩展的灵活性，能够和空气细颗粒物(PM2.5)检测终端构成数据采集网络，实现大范围的数据监测。
4、本发明的具备数据传输、存储、分析和发布能力的数据中心(云平台)具备大数据收集、分析和发布能力，能够促进环境监测和保护技术的发展。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统的结构原理图；
图2为本发明的监测终端设备的结构原理图；
图3为监测终端设备的工作流程原理图；
图4为本发明的网关设备的结构原理图；
图5为网关设备的工作流程原理图；
图6为本发明的云平台的结构原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参阅图1，一种基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，包括：云平台、若干网关设备和多个监测终端设备，各监测终端设备通过北斗卫星与各网关设备通信连接，网关设备与云平台网络通信连接，监测终端设备用以进行PM2.5监测，采集监测数据及位置信息并将采集到的监测数据和位置信息通过北斗卫星发送至网关设备，网关设备用以将接收到的检测数据发送至云平台，云平台用以对接收到的监测数据进行分析、存储及发布。
如图2所示，监测终端设备包括空气细颗粒物监测模块、北斗定位和短报文通信模块、主控制器和第一供电模块，空气细颗粒物监测模块用以进行PM2.5监测，采集监测数据，并将采集到的数据发送至主控制器；北斗定位和短报文通信模块用以获取测试点的位置信息并将测试点位置信息发送至主控制器，以及，接收主控制器发出的打包信息并进行短报文发送，与北斗卫星通信；主控制器分别与空气细颗粒物监测模块和北斗定位和短报文通信模块连接，用以控制空气细颗粒物监测模块的工作状态，并将接收到的监测数据和测试点位置信息打包后发送至北斗定位和短报文通信模块；第一供电模块分别与空气细颗粒物监测模块、北斗定位和短报文通信模块和主控制器连接，用以提供电力。
进一步第，监测终端设备还包括计时器，监测终端设备在检测任务的间隙主控制器设置定时唤醒任务，将系统带入低功耗休眠状态，定时器用以唤醒系统。
如图4所示，网关设备包括网络通信模块、北斗短报文通信模块、网关控制器和第二供电模块，北斗短报文通信模块与北斗卫星通信连接，用以接收监测终端设备通过北斗卫星发出的报文信息并将接收到的报文信息发送至网关控制器；网关控制器分别与网络通信模块和北斗短报文通信模块连接，用以对接收到的北斗短报文通信模块发送的报文信息进行验证，并将正确的报文信息发送至网络通信模块；网络通信模块与网关控制器连接，用以将接收到是正确的报文信息通过网络通信发送至云平台；第二供电模块分别与网络通信模块、北斗短报文通信模块和网关控制器连接，用以提供电力。
如图6所示，云平台包括：传输接口模块，数据分析模块，数据存储模块和信息发布模块，传输接口模块用以与网关设备通信，接收网关设备发送的包括监测数据和定位信息的报文信息，并将接收到的报文信息发送至数据分析模块；数据分析模块分别与传输接口模块和数据存储模块连接，用以对接收到的报文信息及数据存储模块存储的数据进行数据分析，具体数据分析包括以下两方面：数据有效性分析：分析传输接口模块接收到的报文信息的有效性，将有效的数据发送给数据存储模块；统计数据分析：对数据存储模块存储的数据进行横向和纵向的对比分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，为环境保护工作提供数据依据；数据存储模块与数据分析模块连接，用以存储和管理各监测点的空气质量PM2.5数据；信息发布模块与数据存储模块连接，用以提供信息发布和查询接口，输出各监测点的空气质量实时信息及统计信息。
具体地，云平台与网关设备之间通过以太网或3G/2G网络通信。
基于上述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，本发明还提供一种基于北斗和物联网技术的的城市PM2.5监测方法，包括以下步骤：
步骤1：监测终端设备进行PM2.5监测，采集监测数据并获取测试点的位置信息，将监测数据和测试点位置信息打包后进行短报文发送，通过北斗卫星发送至网关设备。
如图3所示，步骤1具体包括以下步骤：
步骤11：监测终端设备进行系统初始化，主控制器对各个模块进行初始化设置，创建监测策略；
步骤12：根据监测策略，在检测任务的间隙，主控制器设置定时唤醒任务，将系统带入低功耗休眠状态；
步骤13：定时器唤醒系统，主控制器控制空气细颗粒物监测模块进行PM2.5监测，收集监测数据；
步骤14：主控制器控制北斗定位和短报文通信模块，获取测试地点的位置信息；
步骤15：主控制器将PM2.5监测数据和测试点位置信息打包后通过北斗定位和短报文通信模块进行短报文发送至北斗卫星；
步骤16：完成短报文发送后，执行步骤12。
步骤2：网关设备对接收到的报文信息进行验证，并将正确的报文信息通过网络通信发送至云平台。
如图5所示，步骤2包括以下步骤：
步骤21：网关设备系统初始化，网关控制器对各个模块进行初始化设置，北斗短报文通信模块启动北斗短报文接收；
步骤22：网关控制器进入等待任务；
步骤23：北斗短报文通信模块收取到报文信息，发送给网关控制器；
步骤24：网关控制器对报文信息进行验证，将正确的报文信息通过网络通信模块(以太网或者3G/2G)进行传输，发送至云平台；
步骤25：报文信息发送成功以后，系统执行步骤22。
步骤3：云平台对接收到的监测数据和检测点定位信息进行数据分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，并存储各监测点的空气质量PM2.5数据。
具体地，数据分析包括以下两方面：
数据有效性分析：分析传输接口模块接收到的报文信息的有效性，将有效的数据发送给数据存储模块；
统计数据分析：对数据存储模块存储的数据进行横向(区域)和纵向(纵向)的对比分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，为环境保护工作提供数据依据。
该步骤还包括：云平台提供信息发布和查询服务，输出各监测点的空气质量实时信息及统计信息。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，其特征在于，包括：云平台、若干网关设备和多个监测终端设备，各所述监测终端设备通过北斗卫星与各所述网关设备通信连接，所述网关设备与所述云平台网络通信连接，所述监测终端设备用以进行PM2.5监测，采集监测数据及位置信息并将采集到的监测数据和位置信息通过北斗卫星发送至网关设备，所述网关设备用以将接收到的检测数据发送至云平台，所述云平台用以对接收到的监测数据进行分析、存储及发布；进一步地：
所述监测终端设备包括空气细颗粒物监测模块、北斗定位和短报文通信模块、主控制器和第一供电模块，其中：
所述空气细颗粒物监测模块用以进行PM2.5监测，采集监测数据，并将采集到的数据发送至主控制器；
所述北斗定位和短报文通信模块用以获取测试点的位置信息并将测试点位置信息发送至主控制器，以及，接收主控制器发出的打包信息并进行短报文发送，与北斗卫星通信；
所述主控制器分别与所述空气细颗粒物监测模块和北斗定位和短报文通信模块连接，用以控制所述空气细颗粒物监测模块的工作状态，并将接收到的监测数据和测试点位置信息打包后发送至北斗定位和短报文通信模块；
所述第一供电模块分别与所述空气细颗粒物监测模块、北斗定位和短报文通信模块和主控制器连接，用以提供电力；
所述网关设备包括网络通信模块、北斗短报文通信模块、网关控制器和第二供电模块，其中：
所述北斗短报文通信模块与北斗卫星通信连接，用以接收监测终端设备通过北斗卫星发出的报文信息并将接收到的报文信息发送至网关控制器；
所述网关控制器分别与所述网络通信模块和北斗短报文通信模块连接，用以对接收到的北斗短报文通信模块发送的报文信息进行验证，并将正确的报文信息发送至所述网络通信模块；
所述网络通信模块与所述网关控制器连接，用以将接收到是正确的报文信息通过网络通信发送至云平台；
所述第二供电模块分别与网络通信模块、北斗短报文通信模块和网关控制器连接，用以提供电力。
2.根据权利要求1所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，其特征在于，所述云平台包括：传输接口模块，数据分析模块，数据存储模块和信息发布模块，其中：
所述传输接口模块用以与所述网关设备通信，接收网关设备发送的包括监测数据和定位信息的报文信息，并将接收到的报文信息发送至数据分析模块；
所述数据分析模块分别与所述传输接口模块和数据存储模块连接，用以对接收到的报文信息及数据存储模块存储的数据进行数据分析，具体数据分析包括以下两方面：
数据有效性分析：分析传输接口模块接收到的报文信息的有效性，将有效的数据发送给数据存储模块；
统计数据分析：对数据存储模块存储的数据进行横向和纵向的对比分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，为环境保护工作提供数据依据；
所述数据存储模块与所述数据分析模块连接，用以存储和管理各监测点的空气质量PM2.5数据；
所述信息发布模块与所述数据存储模块连接，用以提供信息发布和查询接口，输出各监测点的空气质量实时信息及统计信息。
3.根据权利要求1所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，其特征在于，所述监测终端设备还包括计时器，所述监测终端设备在检测任务的间隙主控制器设置定时唤醒任务，将系统带入低功耗休眠状态，所述定时器用以唤醒系统。
4.根据权利要求2所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统，其特征在于，所述云平台与网关设备之间通过以太网或3G/2G网络通信。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统的城市PM2.5监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：监测终端设备进行PM2.5监测，采集监测数据并获取测试点的位置信息，将监测数据和测试点位置信息打包后进行短报文发送，通过北斗卫星发送至网关设备；
步骤2：网关设备对接收到的报文信息进行验证，并将正确的报文信息通过网络通信发送至云平台；
步骤3：云平台对接收到的监测数据和检测点定位信息进行数据分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，并存储各监测点的空气质量PM2.5数据。
6.根据权利要求5所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统的城市PM2.5监测方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：
步骤11：监测终端设备进行系统初始化，主控制器对各个模块进行初始化设置，创建监测策略；
步骤12：根据监测策略，在检测任务的间隙，主控制器设置定时唤醒任务，将系统带入低功耗休眠状态；
步骤13：定时器唤醒系统，主控制器控制空气细颗粒物监测模块进行PM2.5监测，收集监测数据；
步骤14：主控制器控制北斗定位和短报文通信模块，获取测试地点的位置信息；
步骤15：主控制器将PM2.5监测数据和测试点位置信息打包后通过北斗定位和短报文通信模块进行短报文发送至北斗卫星；
步骤16：完成短报文发送后，执行步骤12。
7.根据权利要求5所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统的城市PM2.5监测方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：
步骤21：网关设备系统初始化，网关控制器对各个模块进行初始化设置，北斗短报文通信模块启动北斗短报文接收；
步骤22：网关控制器进入等待任务；
步骤23：北斗短报文通信模块收取到报文信息，发送给网关控制器；
步骤24：网关控制器对报文信息进行验证，将正确的报文信息通过网络通信模块进行传输，发送至云平台；
步骤25：报文信息发送成功以后，系统执行步骤22。
8.根据权利要求5所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统的城市PM2.5监测方法，其特征在于，步骤3中所述的数据分析包括：
数据有效性分析：分析传输接口模块接收到的报文信息的有效性，将有效的数据发送给数据存储模块；
统计数据分析：对数据存储模块存储的数据进行横向和纵向的对比分析，获得各监测点的PM2.5监测的统计数据，为环境保护工作提供数据依据。
9.根据权利要求5所述的基于北斗和物联网技术的城市PM2.5监测系统的城市PM2.5监测方法，其特征在于，步骤3还包括：云平台提供信息发布和查询服务，输出各监测点的空气质量实时信息及统计信息。
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