CN109100966A - 一种基于异构物联网的大气环境监测系统及其监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于异构物联网的大气环境监测系统，包括依次通信连接的大气环境监测节点、智能网关、基站、云端和远程监控终端，大气环境监测节点对大气环境参数进行数据采集，智能网关实现大气环境监测节点与基站的通信连接，基站实现智能网关与云端的的通信连接，远程监控终端进行数据查看以及提供窗口；一种基于大气环境监测系统的监控方法，包括如下步骤：S1、配置智能网关；S2、配置大气环境监测节点；S3、大气环境监测节点采集大气环境参数，并传输给远程监控终端，实现大气环境的监测；S4、接收到结束信号，则结束监控；本发明解决了现有技术存在的监测盲区大、无法及时精确定位污染源、投入成本大、网络复杂和稳定性差的问题。

Description

一种基于异构物联网的大气环境监测系统及其监控方法

技术领域

本发明属于大气环境监测领域，具体涉及一种基于异构物联网的大气环境监测系统及其监控方法。

背景技术

最初在1999年提出：即通过射频识别(RFID)(RFID+互联网)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。

大气环境监测与人类日常工作生活息息相关，大气环境中气象监测工作得到的大量数据可进一步为工业、农业等领域服务，比如天气预报、农业气象分析以及气候分析及评价等。随着经济飞速的发展，人民生活水平的提高，空气污染愈发严重。为监管方便，完善气象监测体系，对污染源达到及时发现与处理，各地政府相继提出了生态环境保护网格化管理方案。从大气环境监测系统行业背景分析。

现有的大气环境监测系统存在以下不足：

(1)对大气环境监测主要基于国控站点和省控站点，而一个区域的监测站点数量非常少，监测盲区较大，无法及时发现且精确定位污染源并对其进行处理；

(2)目前一些普通环境监测系统一般采用ZigBee短距离传输技术进行数据传输，ZigBee网络传输距离短、穿透性差并且易受干扰；

(3)在复杂的城市环境中，利用ZigBee组网技术需要较多的中继设备来延长通信距离，投入成本大；

(4)增加了组网成本和网络的复杂性，降低了数据传输的稳定可靠性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种监测盲区小、精确定位污染源、节约投入成本和稳定性好的基于异构物联网的大气环境监测系统及其监控方法，解决了现有技术存在的监测盲区大、无法及时精确定位污染源、投入成本大、网络复杂和稳定性差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于异构物联网的大气环境监测系统，包括依次通信连接的大气环境监测节点、智能网关、基站、云端和远程监控终端；

大气环境监测节点对大气环境参数进行数据采集，且与智能网关进行组网形成LoRa通信网络，进行监测数据以及信息的发送与接收；

智能网关用于实现大气环境监测节点与基站的通信连接，将从大气环境监测节点接收到的监测数据进行处理，并通过NB-IOT通信网络或RS485总线通信上传给基站，以及将接收的命令或信息进行处理，并下发给对应的大气环境监测节点；

基站实现智能网关与云端的的通信连接；云端实现监测数据的存储、计算和处理，并根据预设的门限值向远程监控终端推送报警消息；

远程监控终端为可视化终端，用于进行大气环境监测节点的监测数据、消息的查看以及提供命令或信息输入窗口。

进一步地，大气环境监测节点包括路灯杆、铁塔和微型监测设备，微型监测设备分别安装于路灯杆或铁塔上。

进一步地，微型监测设备包括传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块、微处理器、第一LoRa通信模块和第一电源模块，微处理器分别与传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块和第一LoRa通信模块通信连接，传感器模块与第一RS485总线电路通信连接，第一电源模块分别与传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块、微处理器和第一LoRa通信模块电连接。

进一步地，传感器模块包括二氧化硫传感器、臭氧传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、粉尘传感器、温湿度传感器、雨量计、风速传感器、风向传感器以及大气压强传感器。

进一步地，智能网关包括第二电源模块、处理器模块、第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块，处理器模块分别与第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块通信连接，第二电源模块分别与处理器模块、第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块通信连接。

进一步地，远程监控终端包括移动终端和PC终端，移动终端和PC终端均与云端通信连接，通过云端获取大气环境监测节点的监测数据，并提供命令和信息输入窗口。

一种基于大气环境监测系统的监控方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：配置智能网关，确保所有智能网关成功入网；

S2：配置大气环境监测节点，确保所有大气环境监测节点成功入网；

S3：通过步骤S2中配置的大气环境监测节点采集大气环境参数，并依次通过步骤S1中配置的智能网关、基站和云端传输给远程监控终端，实现大气环境的监测；

S4：判断远程监控终端是否接收到结束信号，若是则结束监控，否则进入步骤S3；

结束信号包括结束命令、断电信号以及故障信号。

进一步地，步骤S1中，配置智能网关,包括如下步骤：

S1-1：上传网关配置信息：使用远程监控终端将含有网关配置信息的网关配置数据上传至云端；

S1-2：生成网关登录请求信息：使用智能网关生成网关登录请求信息，根据其与基站的通信方式，选择相应协议将网关登录请求信息进行封装，并通过基站将封装的网关登录请求信息上传至云端；

S1-3：生成网关登录确认信息：使用云端对接收到的封装的网关登录请求信息进行解析，结合接收到的网关配置信息，生成网关登录确认信息，并将网关登录确认信息下发至远程监控终端和智能网关；

S1-4：判断是否存在未成功入网的智能网关：根据远程监控终端接收到的网关登录确认信息，判断是否存在未成功入网的智能网关，若是则使用远程监控终端生成含有未成功入网的网关配置信息的网关配置数据，并进入步骤S1-1，否则结束配置。

进一步地，步骤S2中，配置大气环境监测节点，包括如下步骤：

S2-1：上传节点配置信息：使用远程监控终端将含有节点配置信息的节点配置数据上传至云端；

S2-2：上传节点登录请求信息：使大气环境监测节点主动上传节点登录请求信息到最近的智能网关；

S2-3：生成节点登录信息：使用智能网关对节点登录请求信息进行解析，生成节点登录信息，按照相应协议将节点登录信息进行封装，并通过基站将封装的节点登录信息上传至云端；

S2-4：生成节点登录确认信息：使用云端对接收到的封装的节点登录信息进行解析，结合接收到的节点配置信息，生成节点登录确认信息，并将节点登录确认信息下发至远程监控终端和大气环境监测节点；

S2-5：判断是否存在未成功入网的大气环境监测节点：根据远程监控终端接收到的节点登录确认信息，判断是否存在未成功入网的大气环境监测节点，若是则使用远程监控终端生成含有未成功入网的节点配置信息的节点配置数据，并进入步骤S2-1，否则结束配置。

进一步地，步骤S3中，实现大气环境的监测，包括如下步骤：

S3-1：采集监测数据：使用大气环境监测节点定时对大气环境参数进行数据采集，并将采集的监测数据通过LoRa通信上传给配置好的智能网关；

S3-2：上传监测数据：使用智能网关对监测数据进行解析并按照相应协议打包，利用NB-IOT通信方式或RS485总线通信方式，将打包的监测数据通过基站上传至云端；

S3-3：判断监测数据是否超过预设门限值：使用云端将打包的监测数据进行处理，并判断处理后的监测数据是否超过预设门限值，若是则实时向远程监控终端推送处理后的监测数据和报警信息，并进入步骤S4；否则实时向远程监控终端推送处理后的监测数据，并进入步骤S4。

本方案的有益效果为：

(1)系统设计合理，大气环境监测设备和智能网关根据网格化部署在路灯杆和铁塔上，降低了部署成本；

(2)利用现有的路灯杆和铁塔的安装位置结合网格化部署的特点实现了精准定位便于精确定位污染源，提高了准确性；

(3)智能网关通信方式灵活，有效提高了数据传输的稳定性和监测覆盖范围；

(4)系统使用了低功耗、低成本物联网技术，并综合各方面因素进行传感器选型，有效的降低了硬件成本和软件成本；

(5)大气环境监测系统智能化程度高，能实时反映大气环境污染情况，存储大量数据，便于进行实时数据、历史数据分析；

(6)大气环境监测设备拥有存储模块，能存储该节点近一月的数据，防止因监测节点出现非掉电式掉线导致的数据丢失情况。

附图说明

图1为基于异构物联网的大气环境监测系统结构框图；

图2为微型监测设备结构框图；

图3为智能网关结构框图；

图4为RS485总线电路；

图5为基于大气环境监测系统的监控方法流程图；

图6为配置智能网关的方法流程图；

图7为配置大气环境监测节点的方法流程图；

图8为实现大气环境的监测的方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种基于异构物联网的大气环境监测系统，如图1所示，包括依次通信连接的大气环境监测节点、智能网关、基站、云端和远程监控终端，云端为采用应用程序虚拟化技术的软件平台；大气环境监测节点、智能网关、基站、云端和远程监控终端的数量根据实际情况决定，并不局限于本实施例中选择的数量；

大气环境监测节点对大气环境参数进行数据采集，且与智能网关进行组网形成LoRa通信网络，进行监测数据以及信息的发送与接收；

智能网关用于实现大气环境监测节点与基站的通信连接，将从大气环境监测节点接收到的监测数据进行处理，并通过NB-IOT通信网络或RS485总线通信上传给基站，以及将接收的命令或信息进行处理，并下发给对应的大气环境监测节点；

基站实现智能网关与云端的的通信连接；云端实现监测数据的存储、计算和处理，并根据预设的门限值向远程监控终端推送报警消息；

远程监控终端为可视化终端，用于进行大气环境监测节点的监测数据、消息的查看以及命令窗口的提供，命令窗口实现对大气环境监测系统的在线控制。

本实施例中，大气环境监测节点包括路灯杆、铁塔和微型监测设备，微型监测设备分别安装于路灯杆或铁塔上。

本实施例中，如图2所示，微型监测设备包括传感器模块、如图4所示的第一RS485总线电路、存储模块、微处理器、第一LoRa通信模块和第一电源模块，微处理器采用具体型号为STM32L151的单片机，且分别与传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块和第一LoRa通信模块通信连接，传感器模块与第一RS485总线电路通信连接，第一电源模块分别与传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块、微处理器和第一LoRa通信模块电连接，第一LoRa通信模块的无线通信芯片为SX1278芯片，LoRa通信模块与微处理器采用SPI通信方式进行通信，存储模块为SD卡，第一电源模块包括第一电源转换电路与第一电源接口，第一电源接口可接市电、蓄电池与太阳能电池板，第一电源模块完成对微型监测设备的供电。

本实施例中，传感器模块包括二氧化硫传感器、臭氧传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、粉尘传感器、温湿度传感器、雨量计、风速传感器、风向传感器以及大气压强传感器；微处理器通过自带的ADC电路采样接口完成对臭氧传感器、二氧化硫传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器等气体数据的采集与转换；通过RS485总线通信电路采集雨量计、温湿度传感器及气压传感器的相关数据；通过使用微处理器的定时器采集激光粉尘传感器输出的PWM波完成对PM2.5和PM10数据的采集与转换。

本实施例中，如图3所示，智能网关包括第二电源模块、处理器模块、第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、如图4所示的第二RS485总线电路和状态指示控制模块，处理器模块分别与第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块通信连接，第二电源模块分别与处理器模块、第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块通信连接，第二LoRa通信模块的无线通信芯片为SX1301芯片和SX1255芯片，NB-IOT通信模块的无线通信芯片为BC95芯片，处理器模块的主控芯片为BCM2837处理器，第二电源模块包括第二电源转换电路与第二电源接口，第二电源接口可接市电、蓄电池与太阳能电池板，第二电源模块完成对智能网关的供电，状态指示控制模块主要为LED灯用于指示设备运行状态、切换开关用于选择智能网关与基站的通信方式。

本实施例中，远程监控终端包括移动终端和PC终端，移动终端和PC终端均与云端通信连接，通过云端获取大气环境监测节点的监测数据，并提供命令和信息输入窗口。

一种基于大气环境监测系统的监控方法，如图5所示，包括如下步骤：

S1：配置智能网关，确保所有智能网关成功入网，如图6所示，包括如下步骤：

S1-1：上传网关配置信息：使用远程监控终端将含有网关配置信息的网关配置数据上传至云端；

S1-2：生成网关登录请求信息：使用智能网关生成网关登录请求信息，根据其与基站的通信方式，选择相应协议将网关登录请求信息进行封装，并通过基站将封装的网关登录请求信息上传至云端；

S1-3：生成网关登录确认信息：使用云端对接收到的封装的网关登录请求信息进行解析，结合接收到的网关配置信息，生成网关登录确认信息，并将网关登录确认信息下发至远程监控终端和智能网关；

S1-4：判断是否存在未成功入网的智能网关：根据远程监控终端接收到的网关登录确认信息，判断是否存在未成功入网的智能网关，若是则使用远程监控终端生成含有未成功入网的网关配置信息的网关配置数据，并进入步骤S1-1，否则结束配置；

S2：配置大气环境监测节点，确保所有大气环境监测节点成功入网，如图7所示，包括如下步骤：

S2-1：上传节点配置信息：使用远程监控终端将含有节点配置信息的节点配置数据上传至云端；

S2-2：上传节点登录请求信息：使大气环境监测节点主动上传节点登录请求信息到最近的智能网关；

S2-3：生成节点登录信息：使用智能网关对节点登录请求信息进行解析，生成节点登录信息，按照相应协议将节点登录信息进行封装，并通过基站将封装的节点登录信息上传至云端；

S2-4：生成节点登录确认信息：使用云端对接收到的封装的节点登录信息进行解析，结合接收到的节点配置信息，生成节点登录确认信息，并将节点登录确认信息下发至远程监控终端和大气环境监测节点；

S2-5：判断是否存在未成功入网的大气环境监测节点：根据远程监控终端接收到的节点登录确认信息，判断是否存在未成功入网的大气环境监测节点，若是则使用远程监控终端生成含有未成功入网的节点配置信息的节点配置数据，并进入步骤S2-1，否则结束配置；

S3：通过步骤S2中配置的大气环境监测节点采集大气环境参数，并依次通过步骤S1中配置的智能网关、基站和云端传输给远程监控终端，实现大气环境的监测，如图8所示，包括如下步骤：

S3-1：采集监测数据：使用大气环境监测节点定时对大气环境参数进行数据采集，并将采集的监测数据通过LoRa通信上传给配置好的智能网关；

S3-2：上传监测数据：使用智能网关对监测数据进行解析并按照相应协议打包，利用NB-IOT通信方式或RS485总线通信方式，将打包的监测数据通过基站上传至云端；

S3-3：判断监测数据是否超过预设门限值：通过云端将打包的监测数据进行处理，并判断处理后的监测数据是否超过预设门限值，若是则实时向远程监控终端推送处理后的监测数据和报警信息，并进入步骤S4；否则实时向远程监控终端推送处理后的监测数据，并进入步骤S4；

S4：判断远程监控终端是否接收到结束信号，若是则结束监控，否则进入步骤S3；

结束信号包括结束命令、断电信号以及故障信号。

本发明实施例中，当监控系统有新增智能网关时，重复步骤S1，进行新增智能网关的配置，当配置过程中发生断电或故障情况，导致监控系统重启，重启后监控系统从步骤S1-2开始运行；当监控系统有新增大气环境监测节点时，重复步骤S2，进行新增大气环境监测节点的配置，当配置过程中发生断电或故障情况，导致监控系统重启，重启后监控系统从步骤S2-2开始运行。

本发明提供的一种监测盲区小、精确定位污染源、节约投入成本和稳定性好的基于异构物联网的大气环境监测系统及其监控方法，解决了现有技术存在的监测盲区大、无法及时精确定位污染源、投入成本大、网络复杂和稳定性差的问题。

Claims (10)

1.一种基于异构物联网的大气环境监测系统，其特征在于，包括依次通信连接的大气环境监测节点、智能网关、基站、云端和远程监控终端；

所述大气环境监测节点对大气环境参数进行数据采集，且与智能网关进行组网形成LoRa通信网络，进行监测数据以及信息的发送与接收；

所述智能网关用于实现大气环境监测节点与基站的通信连接，将从大气环境监测节点接收到的监测数据进行处理，并通过NB-IOT通信网络或RS485总线通信上传给基站，以及将接收的命令或信息进行处理，并下发给对应的大气环境监测节点；

所述基站实现智能网关与云端的的通信连接；所述云端实现监测数据的存储、计算和处理，并根据预设的门限值向远程监控终端推送报警消息；

所述远程监控终端为可视化终端，用于进行大气环境监测节点的监测数据、消息的查看以及提供命令或信息输入窗口。

2.根据权利要求1所述的基于异构物联网的大气环境监测系统，其特征在于，所述大气环境监测节点包括路灯杆、铁塔和微型监测设备，所述微型监测设备分别安装于路灯杆或铁塔上。

3.根据权利要求2所述的基于异构物联网的大气环境监测系统，其特征在于，所述微型监测设备包括传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块、微处理器、第一LoRa通信模块和第一电源模块，所述微处理器分别与传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块和第一LoRa通信模块通信连接，所述传感器模块与第一RS485总线电路通信连接，所述第一电源模块分别与传感器模块、第一RS485总线电路、存储模块、微处理器和第一LoRa通信模块电连接。

4.根据权利要求3所述的基于异构物联网的大气环境监测系统，其特征在于，所述传感器模块包括二氧化硫传感器、臭氧传感器、一氧化碳传感器、二氧化氮传感器、粉尘传感器、温湿度传感器、雨量计、风速传感器、风向传感器以及大气压强传感器。

5.根据权利要求1所述的基于异构物联网的大气环境监测系统，其特征在于，所述智能网关包括第二电源模块、处理器模块、第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块，所述处理器模块分别与第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块通信连接，所述第二电源模块分别与处理器模块、第二LoRa通信模块、NB-IOT通信模块、第二RS485总线电路和状态指示控制模块通信连接。

6.根据权利要求1所述的基于异构物联网的大气环境监测系统，其特征在于，所述远程监控终端包括移动终端和PC终端，所述移动终端和PC终端均与云端通信连接，通过云端获取大气环境监测节点的监测数据，并提供命令和信息输入窗口。

7.一种基于如权利要求1-6任一所述大气环境监测系统的监控方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：配置智能网关，确保所有智能网关成功入网；

S2：配置大气环境监测节点，确保所有大气环境监测节点成功入网；

S3：通过步骤S2中配置的大气环境监测节点采集大气环境参数，并依次通过步骤S1中配置的智能网关、基站和云端传输给远程监控终端，实现大气环境的监测；

S4：判断远程监控终端是否接收到结束信号，若是则结束监控，否则进入步骤S3；

所述结束信号包括结束命令、断电信号以及故障信号。

8.根据权利要求7所述的监控方法，其特征在于，所述步骤S1中，配置智能网关,包括如下步骤：

S1-1：上传网关配置信息：使用远程监控终端将含有网关配置信息的网关配置数据上传至云端；

S1-2：生成网关登录请求信息：使用智能网关生成网关登录请求信息，根据其与基站的通信方式，选择相应协议将网关登录请求信息进行封装，并通过基站将封装的网关登录请求信息上传至云端；

S1-3：生成网关登录确认信息：使用云端对接收到的封装的网关登录请求信息进行解析，结合接收到的网关配置信息，生成网关登录确认信息，并将网关登录确认信息下发至远程监控终端和智能网关；

S1-4：判断是否存在未成功入网的智能网关：根据远程监控终端接收到的网关登录确认信息，判断是否存在未成功入网的智能网关，若是则使用远程监控终端生成含有未成功入网的网关配置信息的网关配置数据，并进入步骤S1-1，否则结束配置。

9.根据权利要求7所述的监控方法，其特征在于，所述步骤S2中，配置大气环境监测节点，包括如下步骤：

S2-1：上传节点配置信息：使用远程监控终端将含有节点配置信息的节点配置数据上传至云端；

S2-2：上传节点登录请求信息：使大气环境监测节点主动上传节点登录请求信息到最近的智能网关；

S2-3：生成节点登录信息：使用智能网关对节点登录请求信息进行解析，生成节点登录信息，按照相应协议将节点登录信息进行封装，并通过基站将封装的节点登录信息上传至云端；

S2-4：生成节点登录确认信息：使用云端对接收到的封装的节点登录信息进行解析，结合接收到的节点配置信息，生成节点登录确认信息，并将节点登录确认信息下发至远程监控终端和大气环境监测节点；

S2-5：判断是否存在未成功入网的大气环境监测节点：根据远程监控终端接收到的节点登录确认信息，判断是否存在未成功入网的大气环境监测节点，若是则使用远程监控终端生成含有未成功入网的节点配置信息的节点配置数据，并进入步骤S2-1，否则结束配置。

10.根据权利要求7所述的监控方法，其特征在于，所述步骤S3中，实现大气环境的监测，包括如下步骤：

S3-1：采集监测数据：使用大气环境监测节点定时对大气环境参数进行数据采集，并将采集的监测数据通过LoRa通信上传给配置好的智能网关；

S3-2：上传监测数据：使用智能网关对监测数据进行解析并按照相应协议打包，利用NB-IOT通信方式或RS485总线通信方式，将打包的监测数据通过基站上传至云端；

S3-3：判断监测数据是否超过预设门限值：使用云端将打包的监测数据进行处理，并判断处理后的监测数据是否超过预设门限值，若是则实时向远程监控终端推送处理后的监测数据和报警信息，并进入步骤S4；否则实时向远程监控终端推送处理后的监测数据，并进入步骤S4。