空气质量检测平台云计算平台解决方案培训资料
编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页空气质量监测云计算平台解决方案修改记录日期版本修改要点修改者注释2013.05.061.0初始版本注：版本升级时，要注明原因，和主要的更改内容。目录目录3空气质量前端方案41概述41.1背景41.2意义42设计52.1 系统架构52.1.1总体架构52.1.2部署方式62.2 传感器72.3 计算92.4 采集部分102.5 通信部分112.6 电源部分122.6.1锂电池供电122.6.2太阳能供电133特点13空气质量检测平台方案1概述南京云创存储的空气质量监测方案，是基于云计算的大气质量监测平台，前端通过特征因子监测设备和空气质量两套监测设备可以监测大气污染中的空气质量,pm10, SO2,NO2等大气中污染因子。通过海量数据的科学数据分析对比得到主要的反映局部区域的相关参考值，从而和宏观上反映城市的整体的空气质量的监测站点的监测方式形成互补。1.1背景目前许多城市的环境监测中心站点较少，分布分散，环境监测的数据仅从宏观上反映城市的整体的空气质量，但是不能从微观上反映局部区域、特定区域的空气质量的好坏，这就需要建设更多的环境监测站点，提供更多的实时的环境监测数据。国外一套空气质量环境监测仪器价格在10万美金，国产价格在10万人民币，价格昂贵。建设更多的环境监测站点需要巨大的资金投入，成本太高。而廉价的空气质量环境监测系统价格大约在1万人民币，能够解决资金投入问题，同时满足一定的测量精度，和现有的空气环境自动监测系统形成互补，为环保部门服务。目前350米以下都有颗粒污染物，污染程度比较严重，加之信息化工作处于低端水平，以及公众对于空气质量的关注度不断提升，使得空气质量的监测重要性日益突出。廉价的空气质量环境监测系统与目前的传统监测站点的监测方式形成互补，满足公众环境需求，提升政府形象。1.2意义部署空气质量环境监测系统，配合城市现有的环境监测站点，准确、及时、全面地反映环境质量现状及发展趋势，为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据，并结合天气状况、城市交通、人口密度、工业产值等元素，进行系统的研究，为保护环境，改善城市的大气环境质量改善起到技术支撑作用。具体可归纳为: (1) 根据环境质量标准，评价环境质量。(2) 根据污染分布情况，追踪寻找污染源，为实现监督管理、控制污染提供依据。(3) 构建云计算海量数据处理平台，存储本区域海量数据，积累长期监测资料，为研究环境容量、实施总量控制、目标管理、预测预报环境质量提供数据。(4) 为保护人类健康、保护环境、合理使用自然资源、制订环境法规、标准、规划等服务。1.3总体设计原则针对本次工程的实际情况,充分考虑环保局环境监测云平台系统建设的建设发展需求，以实现系统统一管理、高效应用、平滑扩展为目标，以“先进、安全、成熟、开放、经济”为总体设计原则。先进性原则在系统总体方案设计时采用业界先进的方案和技术，以确保一定时间内不落后。选择实用性强产品，模块化结构设计，既可满足当前的需要又可实现今后系统发展平滑扩展。安全性原则数据是业务系统核心应用的最终保障，不但要保证整套系统能够7X24运行，而且存储系统必须有高可用性，以保证应用系统对数据的随时存取。同时配置安全的备份系统，对应用数据进行更加安全的数据保护，降低人为操作失误或病毒袭击给系统造成的数据丢失。在进行系统设计时，充分考虑数据高可靠存储，采用高度可靠的软硬件容错设计，进行有效的安全访问控制，实现故障屏蔽、自动冗余重建等智能化安全可靠措施，提供统一的系统管理和监控平台，进行有效的故障定位、预警。成熟性原则为确保整个系统能够稳定工作，软件平台将使用先进、完善、易于管理和稳定可靠的云存储资源管理系统，对于与应用的集成接口，提供统一的通用稳定访问接口。开放性原则系统建设具有开放性的标准体系，提供开放的应用API编程接口，提供人性化的应用和管理界面，以满足用户需求。遵循规范的通用接口标准，使全系统中的硬件、通信、软件、操作平台之间的互联共享。充分考虑系统的升级和维护问题，维护采用在线式的，即在系统不停止工作的情况下，可以更换单元备件。系统的维护和升级操作由系统管理员即可完成。经济性原则现有业务系统存储数据量较大，且数据的增长速度较快。因此在建设系统存储架构时，应从长远的角度考虑，建设一个长期的存储架构，除了可以应对存储硬件设备的升级速度外，还必须考虑到对前期存储设备的投资保护，在保证不断提供功能和性能提高的同时，存储架构在较长的时间内能够保持相对稳定。结合先进的云平台技术架构优势，根据本次项目建设的实际容量需求设计，同时充分考虑应用发展需求，实现系统可弹性在线平滑升级。通过软件实现在较廉价普通服务器上实现高度容错，同时能够在较低冗余度的情况下实现高度可靠容错，大大节约和降低系统建设的硬件成本。1.4系统特点1、价格低廉，大规模部署空气质量环境监测设备只有国际通用的几分之一，即可满足空气质量监测、数据传输功能，无需国外昂贵的监测设备，和现有的环境监测点形成有利互补，对空气质量数据发布有参考意义。2、云计算海量数据处理技术架构云计算海量数据处理平台，采用先进的云计算处理技术，对环境监测的数据入库和关联查询快速响应，支持自动容错和动态扩展，具有实时性、高可靠性、可伸缩性、高性价比等特点。3.扩容性空气质量监测前端设备可以根据需求进行增加设备，扩展整个系统的覆盖面积，但是不需要继续复杂的操作，可以动态的增加空气质量测试的节点，并能自动组网，具有很强的扩容性。4.实时性测定速度快，自动化程度高。测试方法决定了测试的实时性，采集时间实现秒级响应，且采集时间可以任意设定，采集的数据实时入库，可实时查询。5.采集数据的准确性采集的数据经过精确的校准，且灵敏度很高，和环保部分发布的空气质量数据及趋势接近，数据真实有效。2系统设计2.1总体架构前端设备采集到相关的信息，通过GPRS进行无线数据传输，在有公网IP的服务器上进行数据接收和初步的处理，然后数据存入数据立方进行存储和计算，并且通过WEB服务器进行数据的最后处理和公布，通过web页面和移动终端可以实时的查看pm25实时和历史数据。具体的系统总体架构详见下图。图1空气质量云监控平台总体架构2.2系统主要功能空气质量监测云平台需要提供的主要功能描述如下。（1）实时数据入库系统实时数据入库系统主要负责全市所有空气质量监测点产生的各类空气因子数据实时存到空气质量监测平台数据存储中心。（2）空气质量监测平台数据存储系统原始空气质量数据，将全部存储在空气质量监测平台分布式文件系统，用于存储海量的非结构化数据。为了满足和适应数据量、数据特征和查询处理的不同需求，部分存存储于关系型数据库中。（3）空气质量监测平台数据查询分析应用系统空气质量数据查询分析应用提供包括实时监控空气质量空气质量，查看历史记录和分析数据等功能。空气质量历史查询处理时，由于空气质量数据量巨大，需要调度使用多台服务器节点进行并行处理。（4）数据管理系统在实际使用中，可能用户会对某一时间段或者类型的数据特别关心，就可以通过数据管理系统查询并导出这部分数据以供使用。2.3技术优势1.无线传感网络节点问间可进行长距离的传输，国內最多50m,Corssbow 为150m. 而我们在节点间无阻挡时理论距离为30000m, 有阻挡为5001000m, 具有极高的性价比. 2.能耗低，国外同类产品发射电流消耗为20mA, 我们可达仅为0.5mA;3.节点数多，囯外一般150个, 我们可以256个, 还可扩充至1000个以上.4.系统精度高，比同类产品高一个数量級；5.安全系数高，由于我们提供了数据完整性的检查和鉴权功能，加密算法采用了AES-128”,即具有高度的保密性。6.系统可靠性高，由于我们采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通讯业务与留了专业时隙，避免了发射数据时的竞争和冲突，而且节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个网络中通过自由路由的方式进行传输，从而保证了信息的可靠性；7.系统时延短，我们针对时延敏感的运用做了优化，通讯时延和从休眠状态激活的时延非常短。2.4技术方案1.监视和记录传感器的测试数据系统记录下所有不同传感器的测试数据并保留在系统的服务器的数据库中。服务器自带网站服务。可以以网页的形式提供监视结果。2.实时的数据传达和报警单个的传感器的数据可用来设成触发点来触发手机短信的发送，email的发送。3.随插随用的传感器和结点每一个在网络中的结点可以插入多个不同种类的传感器，只要传感器的接口是标准的ESB (Environmental Sensor Bus) ，无需任何改动，插入即可使用。4.网络的可扩张性只要加结点，网络就扩张。结点间的结网是自动的。结点间距在2 公里内，就可以互相通讯。5.太阳能电池的应用和电源每个结点上都可以加上太阳能电池，配合内置的长寿可充电镍氢电池。在无太阳能充电的极端环境下，结点还能保持三个月以上的正常工作周期。在环境允许下，每个结点另可外接电源。6.系统软件的高可靠性和大规模高速处理能力海量的传感信号数据通过网络送到数据服务器的数据库。处理系统，存储分析系统及显示服务系统的软件做相应的工作以满足用户需求。3.前端采集设备3.1前端架构设计空气质量前端设备主要是由电源模块、采集模块和通信模块三大模块组成，前端采集设备内部架构具体详见图实际的空气质量监测设备详见图2。图2 前端设备的架构3.2主要模块和功能3.2.1传感器我们将按其节点向所传输的距离，采用美国最新研制的微处理器及采用 Zigbee 等技术做无线传输，并将最新的系统集成技术，应用软件和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术相结和通过该特征因子传感器可以监测大气中的环境监测的特征因子：（1）硫化氢气体传感器检测范围0100ppm最大测量限150ppm灵敏度0.50±0.10uA/ppm使用温度范围20+50使用压力范围标准大气压±10响应时间（T90）30S湿度范围1590RH无凝结零点漂移（20+40）0.2ppm（2）氨气NH3传感器标准工作条件 10ppm-100ppm NH3加热功耗小于900毫瓦使用温度-20-50储存温度-20-70RH 相对湿度小于95% RH标准工作条件温度： 20±2 Vc:5V±0.1 V相对湿度： 65%±5% Vh: 5V±0.1 V（3）有机溶剂气体传感器适宜于醇类、酮类、醛类、芳族化合物等有机溶剂的探测。加热功耗小于900毫瓦使用温度-20-50储存温度-20-70相对湿度小于95% RH探测范围：1ppm-100ppm 苯10ppm-100ppm甲苯5ppm-100ppm甲醇30ppm-300ppm酒精10ppm-300ppm丙酮1ppm-10ppm甲醛注：此传感器只测混和气体浓度。不分别给出各组份的
