董天天 沙晶晶 周洋

摘 要 為了實現(xiàn)信息的高速獲取和交換，使人類生產(chǎn)和生活具有更高的智能化的目的;提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計，整個系統(tǒng)包括氣象要素：溫度（AM2320）、濕度（AM2320）、氣壓（BMP180）、風速、風向、雨量六種模塊傳感器和樹莓派網(wǎng)關(guān)控制器、存儲卡、物聯(lián)網(wǎng)云平臺（oneNet）。采用六種環(huán)境傳感器對大氣環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，通過TensorFlow數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)集預訓練模型輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，然后輸出預測值發(fā)布預警信息，最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)控制器進行HTTP協(xié)議遠程發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺上實時數(shù)據(jù)顯示及預警信息，為氣象部門進行數(shù)據(jù)分析提供保障。

關(guān)鍵詞 氣象要素;多傳感器融合;數(shù)據(jù)處理;物聯(lián)網(wǎng);氣象監(jiān)測

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，以及人類活動的加劇，導致自然界環(huán)境遭到破壞，人類自身生存的環(huán)境也遭到破壞，環(huán)境不斷惡化。為進一步做好全國環(huán)境保護污染自動監(jiān)測控體系建設，提高環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，增強環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性，準確性和可靠性，根據(jù)《污染源自動監(jiān)控管理辦法》的有關(guān)要求，借助先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，云平臺技術(shù)，網(wǎng)絡技術(shù)建立全國性的環(huán)保監(jiān)測信息系統(tǒng)。

引言

智能環(huán)境利用各種傳感器技術(shù)[1]，移動計算，信息融合等技術(shù)對空氣環(huán)境、海洋環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、城市環(huán)境質(zhì)量進行全面有效地監(jiān)控。通過網(wǎng)關(guān)連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，輸出預測值發(fā)布預警信息等領域的研究。

1系統(tǒng)總體方案設計

一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：包括溫度（AM2320）、濕度（AM2320）、氣壓（BMP180）、風速、風向、雨量六種模塊傳感器、網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）、存儲卡（SD卡）、物聯(lián)網(wǎng)云平臺（oneNet）。其中，溫度和濕度傳感器（AM2320）采用單總線方式與網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）通信，其作用是探測大氣環(huán)境的溫濕度信息;氣壓傳感器（BMP180）

采用IIC接口與網(wǎng)關(guān)控制器通信（ARM），其作用是探測大氣環(huán)境的大氣氣壓;風速風向傳感器通過網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）的AD口讀取風速風向數(shù)據(jù);雨量傳感器采用485接口與網(wǎng)關(guān)控制器（ARM）通信，其作用是監(jiān)測大氣環(huán)境的降雨量信息;SD存儲卡主要是用來保存六要素數(shù)據(jù)的信息;物聯(lián)網(wǎng)云平臺（oneNet）將遠程訪問、實時顯示數(shù)據(jù)信息及預警信息，為氣象部門的實驗分析做好準備[2]。

2系統(tǒng)工作原理

采用六種環(huán)境傳感器對大氣環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，通過Tensor Flow數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)集預訓練模型輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，然后輸出預測值發(fā)布預警信息，最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)控制器進行HTTP協(xié)議遠程發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺上實時數(shù)據(jù)顯示及預警信息，為環(huán)境部門進行數(shù)據(jù)分析提供了保障。該發(fā)明的基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)集多種傳感器于一身的微型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[3]，并結(jié)合深度學習AI技術(shù)，克服了傳統(tǒng)的氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、智能化低等缺點，并可靈活地實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)共享及預警信息，同時結(jié)構(gòu)簡單，使用的便捷性好，智能化高等優(yōu)勢[4]。

3數(shù)據(jù)測量及處理

3.1 數(shù)據(jù)處理

采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，將通過一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式（JSON）進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到理想的數(shù)據(jù)格式后，再通過Requests.post（）函數(shù)發(fā)送請求，通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、遠程訪問及數(shù)據(jù)共享等功能[5]。

3.2 數(shù)據(jù)保存

采用Python語言開發(fā)設計，首先，通過open（）函數(shù)新建文本文件，再以‘a(chǎn)追加模式打開文本文件，然后調(diào)用write（）函數(shù)向文本文件中寫入大氣環(huán)境探測的數(shù)據(jù)，最后經(jīng)close（）函數(shù)關(guān)閉文本文件，同時保存文件的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存功能。

4系統(tǒng)測試

數(shù)據(jù)處理后，要進行六要素氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)的設置[6]。其中，除了風向氣象要素僅需要設置風向上下限數(shù)值外，氣溫、相對濕度、氣壓、風速和雨量均需要設置三項參數(shù)的上、下限值，即“傳感器界限”、“氣候極值”和“氣候?qū)W界限”。其中“傳感器界限”根據(jù)傳感器本身測量范圍進行設置?！皻夂驑O值”則是根據(jù)當?shù)赜杏涗浺詠淼臍夂驑O大值和極小值。氣候?qū)W界限是根據(jù)氣候?qū)W界的各氣象參數(shù)的極大值和極小值。超過警戒值時，系統(tǒng)發(fā)出“滴滴”的報警聲，此設置主要是剔除接收的氣象數(shù)據(jù)中明顯錯誤的數(shù)據(jù)，同時，也便于對氣象要素數(shù)據(jù)的進一步優(yōu)化和處理。設置完成后點擊“保存更改”按鈕即可完成設置。

5結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的大氣環(huán)境預警系統(tǒng)設計的方案選擇與整體系統(tǒng)設計，通過數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)測試，可以完成氣象要素數(shù)據(jù)的采集和傳輸，系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)。在處理大氣環(huán)境數(shù)據(jù)時，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳云平臺實時查看的便捷性和數(shù)據(jù)共享的有效性，增強了智能化設計，但還需要注意氣象要素采集的數(shù)據(jù)精度問題。

參考文獻

[1] 李莉，袁婧，吳偉超.空氣監(jiān)測網(wǎng)絡中氣象傳感器的應用[J].綠色科技，2020（6）：171-173.

[2] 張軍.空氣污染天氣過程與氣象要素之間的關(guān)聯(lián)性分析[J].環(huán)境與發(fā)展，2020，32（4）：185-186.

[3] 韓琛曄.基于STM32嵌入式微處理器的農(nóng)業(yè)氣象物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（5）：10-13，18.

[4] 孫寧，張穎超，毛偉民，等.基于云服務器的自動氣象站設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（15）：148-151.

[5] 王俊波.傳感器綜合實訓系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（8）：114-115，118.

[6] 王新華，陳東，羅林，等.基于ARM架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)在自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的應用：以NVST氣象站為例[ED/OL]. http：//ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/23477，2020-8-26.

作者簡介

董天天，男;學歷：碩士研究生，職稱：教師，現(xiàn)就職單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院，電子信息工程學院，研究方向：模式識別與智能系統(tǒng)。