基于Web的PM2.5监测预警系统的设计.pdf 10页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于Web的PM2.5监测预警系统的设计**张智恒，禹胜林，涂瑞涛（南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044）5摘要：近年来，雾霾问题一直是与我们的生活息息相关并影响着可持续发展的关键问题，为了有效的对PM2.5的产生及扩散进行合理的监控分析，本系统有效的对小范围区域PM2.5监测站点的数据进行实时接收并利用Web技术实现可视化管理，再结合有效的针对PM2.5的扩散模型对监测数据进行分析实现对PM2.5的扩散进行预警，使人们可以根据自身的位置采取相关保护措施健康出行活动。10关键词：PM2.5监测；Web技术；扩散预测中图分类号：TP302.1DesignofPM2.5monitoringandearlywarningsystembasedonWeb15ZHANGZhiheng,YUShenglin,TURuitao(CollegeofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044)Abstract:Inrecentyears,thehazeproblemhasbeencloselyrelatedtoourlivesandaffectthekeyissuesofsustainabledevelopment,inordertoeffectivelymonitorandanalyzethegenerationand20diffusionofPM2.5,thissystemiseffectiveinthesmallareaPM2.5monitoringsitedatareceivedinrealtimeandtheuseofWebtechnologytoachievevisualmanagement,combinedwiththeeffectivediffusionmodelforPM2.5analysisofmonitoringdatatoachievetheproliferationofPM2.5earlywarning,sothatpeoplecantakeprotectivemeasuresaccordingtotheirownpositiontohealthtravelactivities.25Keywords:PM2.5monitoring；WebTechnology；Diffusionprediction0引言近年来，大气环境污染问题日趋突出，一直是我们关注的焦点问题，已经发展成为[1]关系国计民生的重大问题，其中PM2.5污染尤为突出，PM2.5指悬浮在空气中，空气动30力学直径≤2.5μm的细颗粒物，由于具有粒径微小、重量轻、空中滞留时间长、污染范围广等特点，使其可以通过消光作用降低能见度，对地面交通安全等构成威胁，且与空气中粗颗[2-3]粒物相比，其可吸附有毒物质由呼吸道吸入进人人体肺泡与血液系统，危害人体健康，研究表明，大气可吸入颗粒物增加是导致人类死亡率上升的重要原因之一，因此准确实时监[4-6]测PM2.5迫在眉睫。设计一种高效便捷的PM2.5监测预警系统由此显得十分必要。35当今社会是一个互联网、大数据的时代，网络技术和计算机技术在不断的更新发展，特别是Internet迅速得到广泛的应用，将世界各地的不同计算机系统以及网络用户由分散到集中化，使不同的用户可以通过共同的网络通信协议在不同的网络和操作系统之间进行数据交换。Web技术是网络发展中的关键技术，它作为一个面向全世界的数据信息交流的核心技术，是通过Internet在不同用户机器之间相互传送不同形式的数据。存储了数据信息用于被请求作者简介：张智恒（1982-），男，硕士研究生，主要研究方向：软件应用通信联系人：禹胜林（1966-），男，教授,主要研究方向:气象电子工艺.E-mail:yslhz112@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn40和处理请求的服务器端计算机就是Web服务器(WebServer)，而Web浏览器(WebBrowser)就是可以访问Web页面信息的解析展示的客户端软件，Web访问获取信息由此得到广泛的应用。现在的Web服务相比于本地应用程序具有差异化优势，将会在当今的软件发展当中占[7]据一定地位，使用该技术对PM2.5污染数据进行管理是很好的选择。将空气污染预警模型融入Web开发当中便于用户查询了解，将有利于信息的采集、发布、预报等实现，能够很45好的做到预警功能，同时，基于Web的预警系统也将有利于相关管理人员的高效、智能的工作。1系统功能需求本系统是一套完整的从后台处理到前台显示的数据管理系统，主要针对工厂烟囱排污污染的扩散监测预测。主要的监测数据是PM2.5以及其影响因素风速风向等，系统完成了对50数据的采集接收以及分析显示等工作。首先各监测站点通过传感器获得各项监测值，采集器对数据进行采集并通过GPRS发送至远程服务器，服务器后台程序对监测站点上传的数据进行接收，上传的数据是依据规定好的协议进行编辑，后台接收后需要按照同样的协议进行解析并将每一个监测值存入数据库，数据库的设计是依据系统各部分功能模块的需求而设计的。数据的查看是结合Web服务器，前台页面对数据库数据进行调用分析处理。此外，系55统需要对登陆本系统的用户进行管理，对远程的监测站点设备也要进行控制对其各项参数进行设置以确保设备的正常运行。系统结构如图1：图1系统结构图Fig.1Systemstructurediagram602数据库的设计系统对于监测点采集数据的存储以及Web系统能够运行调用的数据都需要依靠数据库-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn的完整构建，本系统使用的数据库是MySql,MySql数据库是叫轻量级的数据库可运行于多种系统当中而且MySql集群化可以对大数据进行分析处理，MySql的操作性很强兼容性也[8-9]很好因为它支持多种编程语言的调用，此外MySql完全支持SQL语言，支持丰富的SQL65函数，使用方便，很适合本系统的开发。就本系统而言，由于模型层使用了Hibernate框架，该框架将数据对象话，程序通过与数据库之间建立了连接池之后可以很方便的调用，数据库中的每一张关系表都对应着一个JAVA类，表中一行对应一个类实例，表中的字段就与类属性相对应，表之间的级联也就对应着对象之间的关系。对于本系统我们需要建立的数据对象主要有站点监测数据、用户数据、预警信息、站点70设备信息、发送指令信息、预加要素信息、扩散模型数据，对于这六个模块的数据存储都对应数据库里的一张表，也对应JAVA程序里的一个Class。每张表的主键生成策略使用auto_increment自增长方式，各表之间的主要关系是站点设备信息表与发送指令信息表之间是多对一关系，预警信息表与站点设备信息表之间是多对一关系，站点监测数据表与扩散模型数据表之间是一对多关系。753系统功能实现3.1实时数据显示根据系统实时数据选项展示了监测站点实时上传的数据，采集器是每五分钟上传一次数据，对于实时的数据处理主要有图表显示和地图显示，这样方便用户随时查看当前的监测值，对于单个站点的实时数据显示页面效果图如图2所示，在图中可以清楚地看到各个站点几个80主要监测要素的值还有本地的空气质量指数以及未来天气预报情况，其中空气质量指数和天气预报是引用气象部门发布的数据，此三个模块数据以滚动的方式展现，在以后的监测预警过程中可以将此界面放于室外屏幕上供居民观看，以起到对居民生活的健康关注作用。图2实时数据显示页面85Fig.2Real-timedatadisplaypage地图显示实时值的方式是在地图上标识每个站点的具体位置，当鼠标点击标识时会显示该站点的实时数据。此外，在地图上每个站点的标识是以圆标的样式进行标识的，当监测点-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn的PM2.5数值超过预警阀值的时候，标识会显示不同的颜色，不同的颜色表示不同的PM2.5污染等级，颜色等级划分如下。90表1PM2.5浓度等级与标示颜色对照Tab.1PM2.5concentrationlevelincontrastwithindicatedcolor颜色对应PM2.5值范围等级绿色0-50优黄色51-100良橙色101-150轻度污染红色151-200中度污染紫色201-300重度污染深紫色>300严重污染对应的地图上的显示可在系统主页面里查看，其页面效果如下图3所示。图3系统主页面95Fig.3SystemHomepage除了对PM2.5以及气象要素的最新数据进行实时显示，还有就是对设备的报警信息和数据预警信息也是可以实时查看，数据预警信息是对当前上传的数据预警消息的汇总，显示该站点的站点信息和预警级别以及建议措施等，设备报警信息是指不能运行和运行有异常的设备信息的状态预警，显示的页面效果如下图4所示。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn100图4预警信息显示Fig.4Warninginformationdisplay3.2历史数据管理各个监测站点长期处于工作状态，每天有大量的数据上传到远程服务器，服务器对此大105量的数据必须做入库管理，将大量采集的历史数据存入指定的数据库，用以工作人员对数据进行分析处理。本系统采用MySQl数据库，该种数据库方便操作，比较轻量化，有着丰富的CRUD操作语句，适合本系统的开发特性，每当后台检测到有数据上传时就对该条数据解析分段然后做入库处理。因为监测数据是由GPRS上传的，在野外难免会遇到信号不好或者断电的情况，当遇到这些情况的时候，监测站点本身是缓存了近一周的数据的，此时后台110会检测某个时间点开始没有数据上传直到下个时间点有数据上传结束这段时间是否为空，如果是，那么后台程序会补发接收数据的命令给远程硬件设备，设备就会将遗漏的历史数据重新上传，这样就会更大程度的保护历史数据的完整性。对于历史数据的操作，Web前台对历史数据的显示主要有历史数据查询、历史数据统计、历史数据分析等操作。查询功能主要是供用户查看选定时间段内的所有数据，以表格的形式115清晰的展现监测站点每个时间点上传的所有监测要素值如图5所示，此外用户还可以按照自己的需求对历史数据进行筛选，比如只查看整点数据或者只查看十分钟数据等。图5数据查询页面Fig.5Dataquerypage-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn120历史数据统计主要是对某个时间段的所有数据进行一次最值和平均值的计算，用户可以选定想要查询的监测要素以及需要查询方式及时间段，点击查询后就会得到该时间段内监测要素的最大值、最小值、平均值以及该时间段内超过PM2.5预警阀值的预警次数并以柱状图展现，这样的操作主要是为了方便用户可以直接获取监测要素的主要特点，如下图6所示为2016年9月1号至2016年10月1号一个月时间内的统计结果：125图6数据统计页面Fig.6Datastatisticpage数据分析功能是对历史数据的发展趋势进行查询显示，对于本系统就是对PM2.5的变化趋势进行曲线图显示，曲线图是以时间点作为横坐标以PM2.5值作为纵坐标，图上130可以看到每个时间点对应的PM2.5数值，用户先选定所需要查看的时间段，点击查看之后就可以看到PM2.5的变化曲线图。查看2016年9月7号8点至2016年9月7号12点之间的PM2.5浓度值变化趋势，如图7所示可以点击网页中的站点1至站点6看某一个站点的PM2.5变化趋势，也可以点击多个站点看多个站点PM2.5值的纵横向比较，如图8所示，此外在图中还可以看到各个站点在此时间段内对应的最大值与最小值。135图7单站PM2.5浓度变化趋势Fig.7VariationtrendofPM2.5concentrationinsinglestation-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图8多站PM2.5浓度变化趋势140Fig.8VariationtrendofPM2.5concentrationinsinglestation3.3用户管理用户在进入系统之前需要进入登录界面输入用户名和密码才能进入系统主界面，如果是首次登录需要进行注册获取用户名和密码之后再进行登录。面对大量的用户系统必须进行管理，系统用户分为普通用户和管理员，普通用户只能看145到数据的各种展现，而管理员可以对用户管理和设备管理项进行操控，两种不同的用户权限是依据用户级别来区分的，普通用户设置级别为B，管理员设置级别为A。此外，若是用户想修改自己的个人资料可以进入修改页面进行设置提交。3.4设备管理对于远程监测设备的控制需要进入设备管理页面进行相关设置，对于设备的管理除了可150以控制设备的通断以外，还可以对设备的通信方式进行设置，本系统的设备与服务器的通信方式采用的是GPRS的TCP/IP的方式，为了防止以后可能会有所改变通信方式、通信协议以及监测要素的数量，在此可以对远程设备发送指令进行控制，其中主要分为基本设置、串口设置、TCP设置、气象要素设置以及报警设置，所有的设置一旦提交后将录入数据库存储，设备将采用新的设置方式进行工作运行，设置界面如下图9。155（1）基本设置可以对监测站点的站点名称、站点号、站点位置进行修改，监测站点的一般标识就是靠站点名称和站点号来看的，而站点位置是在监测站点变换了监测位置后对其经纬度的设置，本系统的研究过程中会合理安排监测的站点位置，发现不适当后会进行调整，此外，对于站点类型下添加站点也要设置新站点的相关信息并存入数据库。（2）串口设置主要是为了防止设备与服务器的通信方式变为有线的串口线连接，这样160的设置可以调试短距离设备，如果采用此种方式就会需要对串口连接的串口号、波特率、数据位、校验位以及停止位进行设置，只有双方设置好匹配以后才能够进行正常的通信传输。（3）TCP设置可以设置监测站点上传数据的目标服务器IP地址以及端口号，这样当变换控制服务器的时候就需要进行这样的设置，由于上传的数据依据一定的通讯协议具有一定的格式，当增减监测要素或者变换数据采集器的时候通讯协议可能会有所改变，此时上位机-7- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn165接收软件必须要进行相应的变化才能正常接收到数据，可以说设置通讯协议在改变下位机发送数据格式的同时主要是针对上位机接收软件的。（4）气象要素设置是在监测站点增加或者减少监测要素的时候进行设置的，主要是对采集器采集新添传感器数据的功能控制以及对上位机软件的接收显示增添字段设置，本系统当中除了研究风速风向对PM2.5的扩散影响以外，以后研究的影响因素会增加雨量、温度、170湿度以及气压等。（5）报警设置是依据每个监测要素的阀值对系统的报警信号进行控制，当监测值超过预警阀值的时候就会显示报警信息而且在地图上的标注也会显示不同等级的颜色，这种设置其实并不是直接对设备的控制而是间接对设备上传数据大小的控制设置，在本系统当中主要是对PM2.5的预警设置。175图9设备管理页面Fig.9Devicemanagementpage3.5PM2.5扩散预测PM2.5的扩散预测是本系统的核心内容，系统依据实时上传的数据通过相关高斯预测计[10]180算模型去计算预测网格点各点的PM2.5浓度值。首先获取实时上传的监测点PM2.5浓度值、风速值、风向值，再在百度地图上以监测源点为中心依据国家监测预测标准获取预测网格的各点位置的经纬度坐标，以污染源点的坐标为原点以下风向为X轴以垂直下风向的方向为Y轴建立直角坐标系，依次获得各个监测点的直角坐标，知道了各点的直角坐标便可以计算出该计算点距离污染源点的距离，将上述值代入高斯预测模型进行计算得到各点预测185值，再依据各点的经纬度坐标结合百度地图的热力图功能在地图上进行标识，不同浓度值依据不同半径和色度的热力图点表示，这样就会形成此时的污染源释放的污染物随风速风向进行扩散的的蔓延图，如下图10所示为某时刻的蔓延效果，当点击预测范围内某一位置时可-8- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn以查看此位置预测信息。190图10PM2.5扩散分布页面Fig.10PM2.5diffusiondistributionpage本系统对于热力图的使用主要用于分析小范围内不同风速不同风向影响下的PM2.5扩散情况，查看以污染源为原点的下风向的横向和纵向的扩散趋势，从而可以预测出原点附近5km范围内的某个位置的PM2.5浓度值，依据预测数据起到预警作用。1954结论为了提升小范围区域的PM2.5监测的准确性实时性，系统开发一套基于Web的PM2.5监测预警系统，利用了JavaWeb相关技术并采用B/S架构使得系统具有跨平台和访问便捷等优点。系统对实地监测站点数据进行分析统计以及地理信息化预警等，使采集到的数据得到了合理的利用，为小范围区域的PM2.5的扩散进行了很好的监测和预警，为人们的出行200提供了有效合理的建议。但系统仍有很多不足，未来主要的工作是进一步完善系统的预警分析模型和预警提醒措施以及增加系统的可视化功能使用户使用更便捷。[参考文献](References)[1]Wang,J,HuZ,ChenY,etal.ContaminationcharacteristicsandpossiblesourcesofDesignofPM2.5205monitoringandearlywarningsystembasedonWebPM10andPM2.5indifferentfunctionalareasofShanghai,China[J].AtmosphericEnvironment,2013,68(2):221-229.[2]MlchiekH,DeUtSchF,DeNockerL,eta1.HumanHealthImpactsofPM2.5andNOxTransportAirPollutioninBelgium[M]//NATOScienceforPeaceandSecuritySeriesC:EnvironmentalSecurity.Berlin:Springer,2012:565-570.210[3]LinJun,LiuWei,XuZhongyang,etal.CharacteristicsofelementconcentrationofdaytimeandnighttimePM2.5inthesuburbsofShanghaiusingSynchrotronXRF[J].ChinesePhysicsC,2009(11):1006-1009.[4]梁艳,张增福,陈文亮,等.基于β射线法的新型PM2.5自动监测系统研究[J].传感技术学报,2014,42(5):143-147.[5]赵丙辰，黄俊英，刘银龙，等．一种PM2.5辅助监测系统的设计与实现［J].环境工程，2015(5):140-143.215[6]张亦含,李旭文,黄丙湖等.基于WebGIS的环境监测数据管理平台设计与开发[J].计算机应用与软件,2007,24(5):15-16.[7]DavilaS,IlićJP,BešlićI.Real-timedisseminationofairqualityinformationusingdatastreamsandWeb-9- 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