基于物聯(lián)網(wǎng)和 WebGIS 的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言

改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，但經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)是以犧牲生態(tài)環(huán)境換來的 [1-2]。目前，我國(guó)空氣污染狀況比較嚴(yán)重，多地頻發(fā)嚴(yán)重灰霾、酸雨等惡性環(huán)境事件 [3-5]，空氣質(zhì)量開始成為人們普遍關(guān)心的社會(huì)問題 [6-7]。2012 年 2 月 29 日原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012），自 2013 年起分批實(shí)施，2015 年在全國(guó) 338 個(gè)地級(jí)及以上城市全面實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布、實(shí)施以來，有力引領(lǐng)了我國(guó)大氣污染防治工作和環(huán)境管理轉(zhuǎn)型，對(duì)制定實(shí)施《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、促進(jìn)全國(guó)和重點(diǎn)區(qū)域改善環(huán)境空氣質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。目前，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站建成的城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋全國(guó) 338 個(gè)主要城市，1 436 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn) [8]，每天按小時(shí)對(duì)外發(fā)布實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。隨著社會(huì)的發(fā)展，公眾對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等提出了更高的要求，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)面臨著全面升級(jí)換代 [9]。

近幾年，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，大量攜帶傳感器的設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，形成了一張巨大的物聯(lián)網(wǎng)。傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)中，功耗與傳輸距離存在矛盾，很難達(dá)到低功耗下的遠(yuǎn)距離傳輸。LoRa（Long Range）是一種新型無線通信技術(shù) [10-14]，基于擴(kuò)頻技術(shù)，擁有超高接收靈敏度和超強(qiáng)信噪比，在同樣的功耗條件下相比其他無線方式傳播距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，且靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，適合長(zhǎng)距離通信與低功耗的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。本文基于物聯(lián)網(wǎng)與 WebGIS 技術(shù)設(shè)計(jì)了空氣污染因子采集終端與空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了污染指標(biāo)的自動(dòng)采集、上傳與管理，并在烏魯木齊市區(qū)內(nèi)選取了 7 處位置布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

采集系統(tǒng)采用星形無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，多個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)通過無線方式連接至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理與控制。終端采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程機(jī)房，進(jìn)行存儲(chǔ)與分析。該組網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拓展性強(qiáng)，便于后期網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充與維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

系統(tǒng)由采集子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)共享平臺(tái)組成。采集子系統(tǒng)包括采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?shù)據(jù)共享平臺(tái)對(duì)上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，并通過Web 服務(wù)器為公眾提供基于 B/S 架構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

（1）終端采集節(jié)點(diǎn)包含溫濕度傳感器、氣體傳感器、顆粒物傳感器等，定時(shí)或?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)通過 I/O 接口發(fā)送至 STM32 單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)編碼處理后經(jīng) LoRa 無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。

（2）網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，也是終端采集節(jié)點(diǎn)的管理端，其將采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)等傳輸至接入互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，保存并為應(yīng)用服務(wù)器提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）數(shù)據(jù)共享平臺(tái)位于中心機(jī)房，由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器、GIS 服務(wù)器等提供服務(wù)支撐。服務(wù)器接收到網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行解析、邏輯分析等操作，剔除異常值，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，Web 平臺(tái)提供地圖形式的監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看、圖表統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

1.2 總體設(shè)計(jì)

將 LoRa 技術(shù)應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，組建遠(yuǎn)距離無線通信網(wǎng)絡(luò)，利用 WebGIS 平臺(tái)展示空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)情況，實(shí)現(xiàn)空氣污染指標(biāo)的實(shí)時(shí)獲取、傳輸、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析等智能管理功能，解決了傳統(tǒng)方式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)少、樣點(diǎn)無代表性、數(shù)據(jù)時(shí)效性差等問題。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)開發(fā)采用 B/S 結(jié)構(gòu)（Browser/Server，瀏覽器 / 服務(wù)器模式），系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)來源、硬件支撐、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用支撐、應(yīng)用系統(tǒng)等，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 2 所示。

（1）數(shù)據(jù)來源?？諝赓|(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)來源包括兩部分 ：一部分是部署在各處的傳感器采集的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳送至服務(wù)器，代表節(jié)點(diǎn)附近的空氣質(zhì)量狀況 ；另一部分是通過互聯(lián)網(wǎng)獲取的中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站發(fā)布的每小時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由固定位置的大型環(huán)境監(jiān)測(cè)站獲取。

（2）硬件支撐。包括各類服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。Web 服務(wù)器提供 Web 應(yīng)用支撐，GIS 服務(wù)器提供 GIS 功能，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)資源，服務(wù)器分工協(xié)作，確保平臺(tái)正常運(yùn)行。

（3）數(shù)據(jù)資源。數(shù)據(jù)是平臺(tái)的“血液”，有了數(shù)據(jù)平臺(tái)才有存活的價(jià)值。數(shù)據(jù)通過分析、整合、提取與過濾等操作，整合各類資源，供上層服務(wù)與模型使用。

（4）應(yīng)用支撐。包括服務(wù)支撐與模型支撐，是平臺(tái)的關(guān)鍵。通過地圖服務(wù)、專題服務(wù)等服務(wù)的支持，改變了傳統(tǒng)列表式展示的方式，在地圖上，各地的實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量一目了然。

（5）應(yīng)用系統(tǒng)。在服務(wù)與模型的支撐下，應(yīng)用系統(tǒng)可提供多個(gè)功能，如地圖瀏覽、專題圖瀏覽、空氣質(zhì)量時(shí)報(bào)與日?qǐng)?bào)等，為公眾提供界面友好、功能強(qiáng)大的平臺(tái)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用 Microsoft Visual Studio Community 2017，使用 MVC 框架，即模型（Model）- 視圖（View）-控制器（Controller），將業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示相分離，組織代碼，將業(yè)務(wù)邏輯聚集到一個(gè)部件內(nèi)，在改進(jìn)個(gè)性化定制界面及用戶交互時(shí)，無需重新編寫業(yè)務(wù)邏輯。

GIS 服務(wù)器使用開源軟件 GeoServer，GeoServer 是符合 OGC WMS/WFS/WCS 標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)器，兼容 WMS 和WFS 特性，利用 GeoServer 可以方便地發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，允許用戶對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入操作。WebGIS 客戶端采用 OpenLayers，OpenLayers 是一個(gè)用于開發(fā) WebGIS客戶端的開源 JavaScript 包，具有符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的地理空間數(shù)據(jù)訪問方法，且兼容大部分主流瀏覽器。GeoServer 配合OpenLayers 能夠非常方便地實(shí)現(xiàn)地圖展示與空間和屬性查詢等功能，且無需刷新更新頁(yè)面，具有較好的用戶體驗(yàn)。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 地圖瀏覽

地圖瀏覽作為系統(tǒng)主界面，提供了多種地圖切換功能，可以在谷歌影像、谷歌地圖、OpenStreetMap 之間自由切換 ；查看所有監(jiān)測(cè)站的位置、監(jiān)測(cè)站當(dāng)前的 AQI 值及各監(jiān)測(cè)污指標(biāo)值，指數(shù)背景顏色代表當(dāng)前該站的 AQI 等級(jí)。地圖主界面如圖 3 所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)頁(yè)面以圖表的方式展示實(shí)時(shí)、近 24 小時(shí)、各月及當(dāng)年空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)及分布狀況 [15]。24 小時(shí)變化趨勢(shì)圖可以詳細(xì)顯示各監(jiān)測(cè)站 AQI 及各污染物每小時(shí)的變化趨勢(shì)，了解污染物的動(dòng)態(tài)變化情況，監(jiān)測(cè)指標(biāo)界面如圖 4 所示。

年度統(tǒng)計(jì)圖以日歷方式顯示當(dāng)年每天空氣的質(zhì)量等級(jí)。月統(tǒng)計(jì)表顯示每月內(nèi)達(dá)到優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、嚴(yán)重污染等各等級(jí)的天數(shù)。空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面如圖 5 所示。

2.2.3 歷史數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)查詢頁(yè)面提供多種查詢方式，在頁(yè)面中指定查詢的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，可以查詢指定日期范圍內(nèi)的 AQI日?qǐng)?bào)，AQI 時(shí)報(bào)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中所有監(jiān)測(cè)污染物的時(shí)報(bào)信息，并以列表形式顯示。歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖 6 所示。

2.2.4 其他功能

其他功能還包括后臺(tái)管理、文檔查看、專題圖瀏覽、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)等。后臺(tái)管理子系統(tǒng)由系統(tǒng)管理員使用、管理，包含用戶管理、監(jiān)測(cè)站管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)字典維護(hù)、文章管理等 ；使用文檔查看功能可以查看相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、新聞資訊、防護(hù)措施等文章 ；專題圖瀏覽具有查看發(fā)布的各類專題圖的功能 ；空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)提供來自權(quán)威機(jī)構(gòu)的未來 24 小時(shí)的空氣質(zhì)量狀況，供用戶參考。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于 LoRa 技術(shù)與 WebGIS 的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)，在烏魯木齊市部署運(yùn)行，對(duì)采集的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，規(guī)范運(yùn)行，取得了良好的效果。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)地圖的可視化與更新實(shí)時(shí)化，同時(shí)還具有查詢、統(tǒng)計(jì)、預(yù)報(bào)等功能，可從多方面豐富系統(tǒng)的實(shí)用性，更好地服務(wù)用戶。

平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了物聯(lián)網(wǎng)新的發(fā)展模式，LoRa 技術(shù)與開源 WebGIS 技術(shù)框架的結(jié)合為其他物聯(lián)網(wǎng)與 WebGIS 應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，探索了新的發(fā)展方向與道路，為該模式在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧城市等其他領(lǐng)域應(yīng)用提供了一定借鑒。目前該平臺(tái)尚處于建設(shè)初期，還需要不斷完善，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)用性。相信隨著建設(shè)的不斷深入與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增加，在大數(shù)據(jù)與 AI 技術(shù)背景下，系統(tǒng)一定會(huì)為精準(zhǔn)環(huán)境治理提供有效的數(shù)據(jù)支撐與決策幫助。