融合ZigBee和GIS技术的城市大气环境实时动态监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是针对大气环境污染问题，研发的一种城市大气环境实时动态监测系统。主要用于城市各种污染气体及固体颗粒的监测与显示，精确的定位污染源的位置并预警污染事故的发生。
【背景技术】
[0002]良好的大气环境对人类和动植物的生存以及健康成长至关重要，而城市的高速发展却带来了土壤环境、水环境以及大气环境等严重污染问题。城市大气污染已导致全球性的环境问题，如温室效应引起的全球变暖，使极地冰川融化，导致低海拔地区被海水淹没。在我国，大气环境污染尤为严重，污染的城市大气环境不但进一步加剧了像热岛、干岛、逆温、城市风、雾霾天气等城市气候现象，而且还严重影响城市居民的身心健康及经济发展。造成城市大气环境污染的因素，以城市道路交通、工业生产加工、冬季燃煤燃气供暖、火力发电燃煤及建筑等行业为主，且家庭内部的建筑装修以及烹饪过程中所产生的甲醛等有害物质也会造成城市大气环境污染。
[0003]上世纪50年代至今，环境监测技术主要经历了 4个阶段。上世纪50年代以化学性分析为主的被动监测阶段；上世纪60年代以对污染源监测为主的主动监测阶段；上世纪70年代开始进入自动监测阶段；上世纪80年代开始将遥感测控技术、地理信息系统技术和全球定位系统技术应用到环境监测。
[0004]目前，美国将在未来几十年内建立起全国性的空气监测站，实现对大气环境的全方位监测；挪威的ENSYS公司正致力于研发专业的环境监测软件；日本国内的大型企业，如尼康、佳能等，都加大了对环境监测系统的研发投入。而在我国，仅国内的一线大城市出台了环境监测管理办法，且大部分城市都未实现数据的在线监测，以手工监测为主。这种监测方法不仅效率低下，且有损监测人员的身体健康，不能较好的满足我国当下大气环境监测管理的要求。因此，有必要建立起一套全新的，拥有现代信息处理技术、现代科学技术、最新网络技术和现代信息管理模式的，网络化、自动化的环保综合信息系统。
[0005]在现有的技术手段中“200810005137.0环境监测系统”、“201010191465.1 一种远程环境监测系统”、”201310157585.3 一种环境监测系统”、“201410141455.5 一种用于温室气体排放通量监测的自动气体样品采集站”和“201210364718.X —种大气能见度测量系统”，仅是对大气环境中的各种数据进行单纯的采集和传输，并未对采集到的数据进行深入的分析和挖掘，以便更好的展现当下的环境现状，为环境的治理提供有力的数据支持。
[0006]“200910109650.9在线臭氧分析方法及臭氧分析仪”将计算机控制及微机控制引入到对臭氧的数据采集和分析，“201310048783.6 一种云存储环境数据处理方法、系统及设备”公开了一种云存储服务器的信息，提高了数据存储的可靠性。以上方法虽然对监测到的数据进行了初步的分析和处理，但并未将分析的结果应用到生产实践中去。
[0007]“20121014601.5 一种突发性水质污染事故模拟仿真及可视化漫游技术”强调采用B/S三层网络架构，但并未将该方法应用于大气环境监测。“201310681852.7—种用于大气环境监测的可视化系统”将采集到的环境数据进行了可视化显示，但是该系统只是将各种形式的数据进行汇总分析，并未提供一种高效的数据组织方式。“201110049280.1基于数据挖掘的最优炉温设定值优化系统”和“201110394244.9 一种基于数据挖掘的海洋灾害专家报警系统”均提供了一种数据挖掘方法，但是均未将其应用于大气环境治理。
[0008]“200910232309.2 一种基于 zigbee 技术的水文监测平台”、“201110137307.2 一种基于无线传感器网络的温湿度计节点及湿度监测方法”、“201110420546.9基于zigbee技术的农田监控系统”、“201110443545.6基于zigbee与GPRS的变频灌溉远程监控系统”和“201310138619.4基于zigbee技术的风速监测系统”均将Zigbee应用到数据采集中去，但并为将zigbee技术和GPRS技术应用于大气环境监测。
【发明内容】
[0009]针对以上问题，本发明主要用于实现对大气环境数据的自适应采集以及实时、可靠地高效传输，并对采集到的数据进行数据挖掘，结合WebGIS技术对采集和分析结果进行实时的显示。并开发配套的服务器和手机软件，为环境治理提供技术支持，为普通市民提供环境信息查询服务。
[0010]为了实现上述功能，它包括若干监测点、一个数据传输网络、一个数据监测中心和一个在线服务系统。而设计整体又可划分为系统感知层和系统应用层两部分。
[0011]系统感知层，即大气环境实时动态监测无线传感网络硬件系统，采用基于ZigBee的无线自组网技术和GPRS无线传输技术，实时定位监测大气环境中的相关数据信息。城市具有明显的空间地域性，因此，按城市区域的功能、面积和人口密度等因素将其划分并铺设为多个ZigBee传感子网。在Zigbee传感子网的设计中，只使用到路由器节点和协调器节点。
[0012]在路由器节点的设计中，将路由器节点的硬件设计划分为Zigbee组网核心功能版和环境监测数据采集板两部分，二者通过排线连接。数据采集板负责该路由器所在位置大气中CO、03、NO2, SO2、温湿度、粉尘以及风速等参数的采集，Zigbee通信核心板负责将采集到的数据转发给上层路由器。
[0013]协调器节点的设计中，将协调器的设计同样划分为Zigbee组网核心功能板和GPRS通信板两部分，二者通过排线连接。协调器负责汇总来自该子网内的所有数据，然后由GPRS模块将来自协调器的数据转发到环境监测总站。
[0014]本发明在ZigBee子网络的铺设上，为节约成本并方便供电，采取了沿街道走向静态铺设环境监测节点并同时在标志性建筑物、污染源等特殊区域适当增加环境监测采集节点的方法，构成树状网络拓扑结构。每个子网络中均设置两种节点，即协调器节点和路由器节点。协调器节点负责建立整个ZigBee监测子网，并汇总来自各子网路由器节点的大气环境监测数据，再经GPRS无线传输至系统应用层；各路由器节点，集成终端采集节点的功能，既采集自身所处位置的大气环境监测数据又接收其子节点路由器的发送数据，并将两种数据汇总后传递至父节点路由器。
[0015]系统应用层，是基于B/S架构的城市大气环境实时动态监测WebGIS系统，在对大气环境无线传感网各节点有效管理的基础上，实时动态采集、监视并统计分析环境监测数据的空间分布与动态变化，及时预警污染事故的发生。
[0016]为了对大气环境更直观地监视与控制，各监测数据的实时采集、显示以及统计分析后形成的各种专题图是在城市空间地域上进行的空间展布，所以系统应用层的开发应用了地理信息系统。
[0017]本发明提供了一种故障处理机制，当Zigbee网络故障时，Zigbee节点会根据信号传输路径最小原则，重新选择路径入网。如果再次入网仍不成功，Zigbee节点便会将其采集和接收到的数据存储在该节点的存储单元内，以便网络通信恢复后的数据恢复。
[0018]本文中应用层的研发，采用ESRI ArcGIS Sever 9.3作为地理信息系统GIS开发服务平台，以Java作为应用层的开发语言，其数据管理则采用了 Oraclellg。研发的系统应用层是基于B/S模式的网络地理信息系统WEBGIS，实现对城市大气环境变化的实时动态监测，为环境治理提供技术支持。
[0019]系统在数据划分上，分为基础地理空间数据库、实时监测数据库、综合分析数据