CN116582574A - 一种基于物联网的大气监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的大气监测系统，涉及了大气监测技术领域，所述传感器模块的若干个传感器布置在不同的监测点位采集大气相关指标数据，传感器之间进行通信连接形成采集网络；所述通信处理模块先将大气相关指标数据分为正常数据集和异常数据集，再对正常数据集进行数据清洗、数据分割，对数据分割形成的通信数据流进行网关接口分配并建立通信信道；所述数据处理模块获取正常数据集生成监测报告和警示信息；所述存储管理模块用于对正常数据集所对应的部分大气相关指标数据进行存储，并将监测报告和警示信息输入至所设置的管理程序中，由管理程序进行历史数据查询和故障监管，从而实现对大气数据监测管理的目的。

Description

一种基于物联网的大气监测系统

技术领域

本发明涉及大气监测技术领域，具体是一种基于物联网的大气监测系统。

背景技术

传统的大气监测方法存在着设备昂贵、布局不合理、数据更新慢等问题。而物联网技术的快速发展为解决这些问题提供了新的途径。

传统的大气监测系统存在对大气数据监测不及时，当采集大气数据的设备出现故障时，会对整个监测系统造成很大的影响，且出现故障不能快速定位并及时消除故障，采集到的大气数据的安全性也难以得到保障，以上这些问题都是我们需要考虑的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于物联网的大气监测系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于物联网的大气监测系统，包括监测中心，所述监测中心通信连接有传感器模块、通信处理模块、数据处理模块以及存储管理模块；

所述传感器模块由若干个传感器组成，传感器布置在不同的监测点位，通过所述传感器进行大气相关指标数据的采集，若干个传感器之间进行通信连接形成采集网络；

所述通信处理模块设置有数据检测单元、数据预处理单元以及网关匹配单元，所述数据检测单元对采集到的大气相关指标数据进行校验检测，并将大气相关指标数据分为正常数据集和异常数据集；所述数据预处理单元获取到正常数据集进行数据清洗和数据分割；所述网关匹配单元进行网关接口分配，并根据网关接口建立通信信道；

所述数据处理模块用于获取数据通信所得到的正常数据集，并对正常数据集进行实时分析和处理生成监测报告和警示信息；

所述存储管理模块设置有存储单元和管理单元，所述存储单元用于对正常数据集所对应的部分大气相关指标数据进行存储，所述管理单元获取监测报告和警示信息，并将监测报告和警示信息输入至所设置的管理程序中，管理程序进行历史数据查询和故障监管。

进一步的，所述大气相关指标数据的采集过程包括：

对所述若干个传感器和若干个监测点位进行顺位编号，汇总顺位编号形成传感器和监测点位的关联序列对，所述传感器在设置的运转时间内进行大气相关指标数据的采集，传感器在运转时间的运转采集频率设置为f_运，传感器的采集频率阈值设置为f_阈，当传感器出现故障时，传感器发送故障预警至监测中心，并同步建立与相邻传感器之间的通信连接，将出现故障的传感器的关联序列对传输至相邻传感器处，相邻传感器识别关联序列对成功后，将自身的运转采集频率调整至采集频率阈值的数值，代替发生故障的传感器进行数据采集。

进一步的，所述采集网络的构建过程包括：

以一个传感器为基准构建点，所述基准构建点与其他传感器相连接，将其他传感器标记为连接点，所述基准构建点设置连接点的数目有连接上限，传感器之间无线连接形成若干个采集子网络，汇总若干个采集子网络构建采集网络。

进一步的，所述数据检测单元划分出正常数据集和异常数据集的过程包括：

数据检测单元内置历史数据库，获取历史数据库内存储的历史大气相关指标数据，所述历史大气相关指标数据包括若干个历史节点的大气相关指标数据，由若干个历史节点的大气相关指标数据获取历史数据均值Ave，将数据检测单元所获取到的大气相关指标数据记为data，若data/Ave∈[0.8，1.2]，则将该大气相关指标数据标记为正常数据集，若data/Ave∈[0.4，0.8)∪(1.2，1.8]，则将该大气相关指标数据标记为异常数据集。

进一步的，所述数据预处理单元进行数据清洗和数据分割的过程包括：

所述数据预处理单元获取到正常数据集先转换为二进制序列串，再将二进制序列串转入所设置的遍历队列中，从左右两个遍历方向同时进行遍历，初次遍历到的二进制序列串仍保留在遍历队列中，再次遍历到相同的二进制序列串则将该二进制序列串出队剔除；

遍历完成后将二进制序列串还原为正常数据集，设置数据分割阈值G，获取正常数据集的数据量G`，若G`＜G，将正常数据集压缩为通信数据流；

若G`≥G，则将正常数据集分割为若干等份，每一等份的数据量数值都取值分割阈值所代表的数值，不足分割阈值所代表数值的最后一部分，也作为一等份，将每一等份都压缩为通信数据流。

进一步的，所述网关匹配单元进行网关接口分配并建立通信信道的过程包括：

所述网关匹配单元设置有不同的网关接口，网关接口设置有不同的接口状态和接口类型，根据接口状态以及接口类型建立不同的通信信道；

所述接口状态包括“占用状态”和“空闲状态”，所述接口类型包括内部接口和外部接口；当接口状态为“空闲状态”时，继续获取接口类型，若为内部接口，则建立的通信信道类型为内部通信信道，若为外部接口，则建立的通信信道类型为外部加密通信信道；通过不同通信信道类型实现网关匹配单元与数据处理模块之间的数据通信并传输通信数据流。

进一步的，所述监测报告和警示信息生成的过程包括：

获取通信数据流解压缩还原为正常数据集并输入至数据处理模块所设置的数据可视化生成程序中生成监测报告，所述监测报告中的数据信息包括中位数、众数、平均数以及方差，中位数、众数、平均数以及方差相应设置有警戒阈值，设置警戒系数，当数据信息超过各自对应的警戒阈值时，对警戒系数进行加一，当警戒系数大于等于三时，生成警示信息。

进一步的，所述存储单元进行大气相关指标数据存储的过程包括：

获取正常数据集所对应的大气相关指标数据，存储单元设置有若干个数据存储点位，数据存储点位有对应序列编号，设置数据转移周期和数据跳转位数，将大气相关指标数据先存储至任意一个数据存储点位并获取序列编号，每经过一个数据转移周期，根据数据跳转位数和序列编号获取即将跳转存储的数据存储点位的序列编号。

进一步的，所述历史数据查询和故障监管的过程包括：

所述管理程序在获取到监测报告后，形成查询时间区间并将查询时间区间划分为若干个时间点位；当定位某一个时间点位后，获取该时间点位所对应的监测报告，汇总若干个时间点位的监测报告形成历史数据，开放历史数据的查询权限；

所述警示信息设置有不同的处理优先级以及警示类型，获取到警示信息后，根据警示信息的警示类型选择由管理程序自行故障监管或管理程序发送检修信息至检修人员，根据处理优先级由高到低的顺序进行故障检修。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在传感器模块形成的关联序列对用于后期对传感器的故障定位，以及采集数据的定位，运转采集频率设置为采集频率阈值数值的一半，当传感器出现故障时，启动相邻的传感器代替发生故障的监测点位的传感器进行数据的采集，每个传感器的采集频率阈值都相同，避免了传感器故障导致数据无法采集的情况发生；以采集子网络和采集网络作为两种数据打包单位，起到了降低数据上传压力或减少数据上传频次的目的，所述存储管理模块所包括的存储单元所设置的若干个数据存储点位的存储容量都相同，通过数据转移周期和数据跳转位数的设置，使得大气相关指标数据并不存储于某一个固定位置，保证了数据不易受到外部的锁定攻击，提高了数据的安全性，通过监测报告提供了历史数据的查看权限，数据展示方便直观，通过警示信息所设置的警示类型和处理优先级，及时进行故障的处理，从而实现了对大气进行监测的目的。

附图说明

图1为本发明的原理结构图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于物联网的大气监测系统，包括监测中心，所述监测中心通信连接有传感器模块、通信处理模块、数据处理模块以及存储管理模块；

所述传感器模块由若干个传感器组成，传感器布置在不同的监测点位，通过所述传感器进行大气相关指标数据的采集，若干个传感器之间进行通信连接形成采集网络；

所述通信处理模块设置有数据检测单元、数据预处理单元以及网关匹配单元，所述数据检测单元对采集到的大气相关指标数据进行校验检测，并将大气相关指标数据分为正常数据集和异常数据集；所述数据预处理单元获取到正常数据集进行数据清洗和数据分割；所述网关匹配单元进行网关接口分配，并根据网关接口建立通信信道；

所述数据处理模块用于获取数据通信所得到的正常数据集，并对正常数据集进行实时分析和处理生成监测报告和警示信息；

所述存储管理模块设置有存储单元和管理单元，所述存储单元用于对正常数据集所对应的部分大气相关指标数据进行存储，所述管理单元获取监测报告和警示信息，并将监测报告和警示信息输入至所设置的管理程序中，管理程序进行历史数据查询和故障监管。

具体的，所述大气相关指标数据的采集过程包括：

对所述若干个传感器进行顺位编号，记为i，有i＝1，2，……，n，n为自然数整数，对所述监测点位进行顺位编号，记为j，有j＝1，2，……，m，m为自然数整数，汇总i和j形成传感器和监测点位的关联序列对，记为R，有R＝<i，j>；

所述传感器在设置的运转时间内进行大气相关指标数据的采集，所述大气相关指标数据包括PM2.5、PM10、二氧化硫以及一氧化碳，在传感器设置的采集频率f内，f的数值越高，传感器采集到的大气相关指标数据的数据量越大；传感器在运转时间的运转采集频率设置为f_运，传感器的采集频率阈值设置为f_阈，运转采集频率与采集频率阈值的关系如下：f_运/f_阈＝1/2；

当传感器出现故障时，传感器发送故障预警至监测中心，并同步建立与相邻传感器之间的通信连接，将出现故障的传感器与传感器所关联的监测点位的关联序列对传输至相邻传感器处，相邻传感器识别关联序列对成功后，将自身的运转采集频率调整至采集频率阈值的数值，代替发生故障的传感器进行数据采集；

监测中心完成对传感器故障的修复后，在传感器非运转时间内重新启动传感器的试运转，并在运转时间内正式运转，继续采集大气相关指标数据。

具体的，所述采集网络的构建过程包括：

以一个传感器为基准构建点，获取该基准构建点的关联序列对，所述基准构建点与其他传感器相连接，将其他传感器标记为连接点；

所述基准构建点设置连接点的数目有连接上限X，X的取值范围为1—5，即1个传感器与相邻的1至5个传感器相连接，传感器之间通信连接，通信连接的方式采用无线连接；

无线连接后形成若干个采集子网络，对于每个采集子网络，汇总采集子网络中各传感器的关联序列对，形成序列对子集，汇总若干个采集子网络构建采集网络，获取若干个采集子网络的序列对子集形成序列对集合，记为Ω；

所述采集网络构建完成后，进行以采集子网络为单位形成若干个数据包和采集网络为单位形成一个总的数据包的两种打包上传方式。

需要说明的是，形成的关联序列用于后期对传感器的故障定位，以及采集数据的定位，运转采集频率设置为采集频率阈值数值的一半，当传感器出现故障时，启动相邻的传感器代替发生故障的监测点位的传感器进行数据的采集，每个传感器的采集频率阈值都相同，避免了传感器故障导致数据无法采集的情况发生；以采集子网络和采集网络作为两种数据打包单位，起到了降低数据上传压力或减少数据上传频次的目的。

所述通信处理模块设置有数据检测单元、数据预处理单元以及网关匹配单元；

所述数据检测单元对采集到的大气相关指标数据进行校验检测，并将大气相关指标数据分为正常数据集和异常数据集；

所述数据预处理单元获取到正常数据集进行数据清洗和数据分割；

所述网关匹配单元进行网关接口分配，并根据网关接口建立通信信道进行传感器模块和数据处理模块的数据通信。

具体的，所述数据检测单元对大气相关指标数据进行校验检测并分为正常数据集和异常数据集的过程包括：

所述数据检测单元获取到数据包后将数据包进行解包，解包后获得大气相关指标数据，数据检测单元内置有历史数据库，获取历史数据库内存储的历史大气相关指标数据，所述历史大气相关指标数据包括若干个历史节点的大气相关指标数据；

对历史节点进行编号，记为k，k∈[2，10]，且k为整数，依次获得每个历史节点的大气相关指标数据，记为Y[k]，获取历史数据均值，记为Ave，有如下公式：

；

将数据检测单元所获取到的大气相关指标数据记为data，根据data和Ave进行校验检测；

若data/Ave∈[0.8，1.2]，则将该大气相关指标数据标记为正常数据集，备份正常数据集至历史数据库中，并将该正常数据集传输至数据预处理单元；

若data/Ave∈[0.4，0.8)∪(1.2，1.8]，则将该大气相关指标数据标记为异常数据集，并将异常数据集进行剔除，继续获取下一个大气相关指标数据进行校验检测。

具体的，所述数据预处理单元进行数据清洗和数据分割的过程包括：

所述数据预处理单元获取到正常数据集后进行数据清洗，将正常数据集先转换为二进制序列串，再将二进制序列串转入所设置的遍历队列中，所述遍历队列设置有左右两个遍历方向；

从左右两个遍历方向同时进行遍历，初次遍历到的二进制序列串仍保留在遍历队列中，再次遍历到相同的二进制序列串则将该二进制序列串出队剔除；

对两个遍历方向都遍历完成的遍历队列中的二进制序列串进行还原正常数据集的操作，还原出正常数据集后进行数据分割，数据预处理单元设置有数据分割阈值；

记数据分割阈值为G，获取正常数据集的数据量，记为G`；

若G`＜G，将正常数据集压缩为通信数据流；

若G`≥G，则将正常数据集分割为若干等份，每一等份的数据量数值都取值分割阈值所代表的数值，不足分割阈值所代表数值的最后一部分，也作为一等份，将每一等份都压缩为通信数据流；

汇总通信数据流并传输至网关匹配单元。

具体的，所述网关匹配单元进行网关接口分配并建立通信信道的过程包括：

所述网关匹配单元设置有不同的网关接口，所述网关接口关联有唯一的接口码作为其身份标识，网关接口设置有不同的接口状态和接口类型，根据接口状态以及接口类型建立不同的通信信道；

所述接口状态包括“占用状态”和“空闲状态”，所述接口类型包括内部接口和外部接口；

当网关接口的接口状态为“空闲状态”时，继续获取网关接口的接口类型，若接口类型为内部接口，则建立的通信信道类型为内部通信信道，若接口类型为外部接口，则建立的通信信道类型为外部加密通信信道；

通过不同类型的通信信道实现网关匹配单元与数据处理模块之间的数据通信，通过数据通信将通信数据流传输至数据处理模块。

具体的，所述监测报告和警示信息生成的过程包括：

获取通信数据流后，将通信数据流解压缩还原为原先的正常数据集，将正常数据集作为输入项，输入至数据处理模块所设置的数据可视化生成程序中；

通过所述可视化生成程序生成可视化折线图、可视化扇形图、可视化三维图以及可视化图表，获取可视化折线图、可视化扇形图、可视化三维图以及可视化图表的全部数据信息生成监测报告；

所述监测报告中的数据信息包括中位数、众数、平均数以及方差，分别记为A、B、C以及D，中位数、众数、平均数以及方差相应设置有警戒阈值，A`、B`、C`以及D`；

设置警戒系数，警戒系数初始值设置为零，当A＞A`或B＞B`或C＞C`或D＞D`时，对警戒系数进行加一操作，当警戒系数大于等于三时，生成警示信息。

所述存储管理模块设置有存储单元和管理单元；

所述存储单元用于对正常数据集所对应的部分大气相关指标数据进行存储；

所述管理单元用于进行历史数据查询和故障监管。

具体的，所述存储单元进行大气相关指标数据存储的过程包括：

获取正常数据集所对应的大气相关指标数据，存储单元设置有若干个数据存储点位，不同的数据存储点位有唯一对应的序列编号，将序列编号标记为L，L为正整数；

设置数据转移周期，标记为T，设置数据跳转位数，记为S，所述数据跳转位数的取值范围为1—8之间的随机整数，包括1和8本身，大气相关指标数据先存储至任意一个数据存储点位，获取该数据存储点位的序列编号，每经过数据转移周期T时，根据数据跳转位数和序列编号获取即将跳转存储的数据存储点位的序列编号，所要跳转的目标数据存储点位的序列编号为L＋S，将L更新为L＋S。

需要说明的是，存储单元所设置的若干个数据存储点位的存储容量都相同，通过数据转移周期和数据跳转位数的设置，使得大气相关指标数据并不存储于某一个固定位置，保证了数据不易受到外部的锁定攻击，提高了数据的安全性。

具体的，所述历史数据查询和故障监管的过程包括：

所述管理单元获取到监测报告和警示信息后，将监测报告和警示信息分别输入至管理单元所设置的管理程序中；

所述管理程序在获取到监测报告后，管理程序同步记录当前时间节点以及当前时间节点的前一时间段，形成查询时间区间[T1，T2]，将[T1，T2]划分为若干个时间点位；

当定位到除当前时间节点的某一个时间点位后，获取该时间点位所对应的监测报告，所述若干个时间点位的监测报告即为历史数据，开放历史数据的查询权限，所述查询权限由管理程序所设置的查询开放表单所限定，查询开放表单记录了所有允许进行历史数据查询的用户IP；

所述警示信息设置有不同的处理优先级以及警示类型，获取到警示信息后，根据警示信息的警示类型决定是否由管理程序自行解决，还是管理程序发送检修信息至检修人员所解决；

所述警示类型包括“自处理类型”和“辅助处理类型”，所述处理优先级包括一级优先级、二级优先级和三级优先级；

当警示类型为“自处理类型”时，管理程序按照优先级由高到低的顺序根据警示信息依次自行修复故障；

当警示类型为“辅助处理类型”时，管理程序获取到警示信息后同步生成检修信息，并将检修信息发送至检修人员处，由检修人员按照处理优先级进行故障检修。

需要说明的是，优先级顺序为三级优先级＜二级优先级＜一级优先级。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于物联网的大气监测系统，包括监测中心，其特征在于，所述监测中心通信连接有传感器模块、通信处理模块、数据处理模块以及存储管理模块；

所述传感器模块由若干个传感器组成，传感器布置在不同的监测点位，通过所述传感器进行大气相关指标数据的采集，若干个传感器之间进行通信连接形成采集网络；

所述通信处理模块设置有数据检测单元、数据预处理单元以及网关匹配单元，所述数据检测单元对采集到的大气相关指标数据进行校验检测，并将大气相关指标数据分为正常数据集和异常数据集；所述数据预处理单元获取到正常数据集进行数据清洗和数据分割；所述网关匹配单元进行网关接口分配，并根据网关接口建立通信信道；

所述数据处理模块用于获取数据通信所得到的正常数据集，并对正常数据集进行实时分析和处理生成监测报告和警示信息；

所述存储管理模块设置有存储单元和管理单元，所述存储单元用于对正常数据集所对应的部分大气相关指标数据进行存储，所述管理单元获取监测报告和警示信息，并将监测报告和警示信息输入至所设置的管理程序中，管理程序进行历史数据查询和故障监管。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述大气相关指标数据的采集过程包括：

对所述若干个传感器和若干个监测点位进行顺位编号，汇总顺位编号形成传感器和监测点位的关联序列对，所述传感器在设置的运转时间内进行大气相关指标数据的采集，传感器在运转时间的运转采集频率设置为f_运，传感器的采集频率阈值设置为f_阈，当传感器出现故障时，传感器发送故障预警至监测中心，并同步建立与相邻传感器之间的通信连接，将出现故障的传感器的关联序列对传输至相邻传感器处，相邻传感器识别关联序列对成功后，将自身的运转采集频率调整至采集频率阈值的数值，代替发生故障的传感器进行数据采集。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述采集网络的构建过程包括：

以一个传感器为基准构建点，所述基准构建点与其他传感器相连接，将其他传感器标记为连接点，所述基准构建点设置连接点的数目有连接上限，传感器之间无线连接形成若干个采集子网络，汇总若干个采集子网络构建采集网络。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述数据检测单元划分出正常数据集和异常数据集的过程包括：

数据检测单元内置历史数据库，获取历史数据库内存储的历史大气相关指标数据，所述历史大气相关指标数据包括若干个历史节点的大气相关指标数据，由若干个历史节点的大气相关指标数据获取历史数据均值Ave，将数据检测单元所获取到的大气相关指标数据记为data，若data/Ave∈[0.8，1.2]，则将该大气相关指标数据标记为正常数据集，若data/Ave∈[0.4，0.8)∪(1.2，1.8]，则将该大气相关指标数据标记为异常数据集。

5.根据权利要求4所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述数据预处理单元进行数据清洗和数据分割的过程包括：

所述数据预处理单元获取到正常数据集先转换为二进制序列串，再将二进制序列串转入所设置的遍历队列中，从左右两个遍历方向同时进行遍历，初次遍历到的二进制序列串仍保留在遍历队列中，再次遍历到相同的二进制序列串则将该二进制序列串出队剔除；

遍历完成后将二进制序列串还原为正常数据集，设置数据分割阈值G，获取正常数据集的数据量G`，若G`＜G，将正常数据集压缩为通信数据流；

若G`≥G，则将正常数据集分割为若干等份，每一等份的数据量数值都取值分割阈值所代表的数值，不足分割阈值所代表数值的最后一部分，也作为一等份，将每一等份都压缩为通信数据流。

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述网关匹配单元进行网关接口分配并建立通信信道的过程包括：

所述网关匹配单元设置有不同的网关接口，网关接口设置有不同的接口状态和接口类型，根据接口状态以及接口类型建立不同的通信信道；

所述接口状态包括“占用状态”和“空闲状态”，所述接口类型包括内部接口和外部接口；当接口状态为“空闲状态”时，继续获取接口类型，若为内部接口，则建立的通信信道类型为内部通信信道，若为外部接口，则建立的通信信道类型为外部加密通信信道；通过不同通信信道类型实现网关匹配单元与数据处理模块之间的数据通信并传输通信数据流。

7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述监测报告和警示信息生成的过程包括：

获取通信数据流解压缩还原为正常数据集并输入至数据处理模块所设置的数据可视化生成程序中生成监测报告，所述监测报告中的数据信息包括中位数、众数、平均数以及方差，中位数、众数、平均数以及方差相应设置有警戒阈值，设置警戒系数，当数据信息超过各自对应的警戒阈值时，对警戒系数进行加一，当警戒系数大于等于三时，生成警示信息。

8.根据权利要求7所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述存储单元进行大气相关指标数据存储的过程包括：

获取正常数据集所对应的大气相关指标数据，存储单元设置有若干个数据存储点位，数据存储点位有对应序列编号，设置数据转移周期和数据跳转位数，将大气相关指标数据先存储至任意一个数据存储点位并获取序列编号，每经过一个数据转移周期，根据数据跳转位数和序列编号获取即将跳转存储的数据存储点位的序列编号。

9.根据权利要求8所述的一种基于物联网的大气监测系统，其特征在于，所述历史数据查询和故障监管的过程包括：

所述管理程序在获取到监测报告后，形成查询时间区间并将查询时间区间划分为若干个时间点位；当定位某一个时间点位后，获取该时间点位所对应的监测报告，汇总若干个时间点位的监测报告形成历史数据，开放历史数据的查询权限；

所述警示信息设置有不同的处理优先级以及警示类型，获取到警示信息后，根据警示信息的警示类型选择由管理程序自行故障监管或管理程序发送检修信息至检修人员，根据处理优先级由高到低的顺序进行故障检修。