裴成磊,梁永健,刘文彬,邝俊侠

(广州市环境监测中心站,广东 广州 510030)

·信息应用·

广州市空气质量自动监测系统设计及建设

裴成磊,梁永健,刘文彬,邝俊侠

(广州市环境监测中心站,广东 广州 510030)

广州市空气质量自动监测系统分为子站系统和中心控制数据接收平台系统两部分。子站系统利用串口通讯采集仪器数据及状态标识;为确保中心系统的数据接收,系统通讯采用ADSL宽带和无线通讯相结合的方式,并设立了发送和接收数据的协议;子站系统的可视化界面与远程控制软件结合,可随时对子站进行监控;采用SQ L语言对数据库进行访问,完成每日日报预报功能。

空气质量;自动监测系统;设计;建设

1 背景

广州市空气质量自动监测系统主要由自动监测子站系统(以下简称“子站系统”)和中心控制数据接收平台系统(以下简称“中心系统”)组成,主要功能是采集存储子站内仪器的数据和运行状态,对数据进行质控操作得到每日空气质量的日报和预报。目前,广州市环境监测中心站子站包括10个国控点子站,5个亚运子站,17个市控子站;子站常规监测项目为 SO2、NO2、CO、O3、PM10和气象参数 ,国控点子站监测的 SO2、NO2、PM103项作为监测指标,统计广州市的空气污染指数API。为做好2010广州亚运会空气质量保障监测工作,广州市添置了大量的自动监测仪器,传统的系统已无法满足需要,为此,广州市环境监测中心站结合自身实际,设计和建设了一个新型空气质量自动监测系统。

笔者介绍了包括子站系统和中心系统两部分的设计和建设过程,主要解决3个方面的问题:一是针对目前子站内大量的不同种类的自动监测仪器,如何实现数据的顺利采集和发送;二是保障数据准确无误地发送和接收;三是中心系统能满足日常日报预报的要求,并能对子站随时远程监控。

2 子站系统的设计和建设

广州市目前的子站所有监测项目除了常规项目外 ,还包括 PM2.5、PM1、VOC、EC/OC、颗粒物粒径分布、NH3、CO2、CH4、能见度等项目。新增项目已远远超出传统系统的承载能力,迫切需要建立一套新的子站系统,其应具有以下功能:(1)能够准确地从各种自动监测仪器中采集数据。(2)数据可实现本地存储。(3)可视化界面,能够显示仪器监测的数据以及工作状态。(4)数据发送机制可靠,防止数据丢失。图1为子站系统功能框架。

图1 子站系统功能框架

子站系统由工控机和子站系统软件组成,子站系统软件采用VB设计,通过工控机串口采集仪器数据和工作状态标识,并存入数据库和发送文本中。图2为软件流程图。

图2 子站系统软件流程

配置信息主要包括:子站站点编号,中心系统用于接收子站系统数据的 IP地址和端口号,数据定时采集周期,数据数值保留小数位,数据数值保留有效数字等。检查系统配置主要包括:系统资源检查,软件运行所需资源检查,串口资源和占用情况检查。

目前自动监测仪器的输出有模拟和数字两种信号。对于数字信号的采集,按照仪器提供的通讯协议,通过计算机串行通信口和仪表自带的RS 232,可实现对数据和状态标识的采集[1]。对于模拟信号,采用模数转换模块,将模拟信号转换成数字信号后,利用串口可实现对模拟信号的采集。模拟信号和监测数据之间需要确定对应公式,一般为线性关系:

式中:a,b——系数;X——模拟信号;Y——监测数值。设定好仪器监测量程后,通过测试2个或2个以上模拟输出值和仪器测量值,由(1)式可以计算出参数a,b。如果为非线性关系,采用多点测试同理可以确定对应公式中的系数。

每台仪器所使用的通讯方式设置、串口设置、命令语言、对应公式、数据使用的单位等存储在脚本文件中。每次重启时,软件直接读取每种仪器的脚本文件即可自动运行。利用VB编程访问Access或SQL Server数据库,实现数据的本地存储功能[2,3]。

软件可视化界面设计需要满足:5 min值及曲线显示,小时值及曲线显示,仪器运行状态显示。建设完成的软件界面如图3所示。

图3 子站系统软件界面

子站工控机加装了远程控制软件,如Remote-ly Anywhere,Team View等。通过远程控制结合子站系统可视化界面,可以实时获取子站内仪器测量数据和仪器运行状态。

3 系统通讯的设计及建设

现有通讯网络中,有线网络速率和稳定性高,无线网络可移动性和方便性强。按照网络稳定性优先的原则,常规子站采取有线ADSL宽带作为骨干通讯网络;山区和流动监测车等较难安装有线宽带的子站,采用 GPRS或3G无线通讯为辅助网络。中心系统采用具有固定 IP地址的有线宽带网。

子站系统与中心系统间采用异步通信方式,子站系统内有数据发送模块,它循环读取发送文本内的数据,并将每条数据发送到中心系统的固定IP地址端口下。为尽量避免数据的丢失,系统设立了发送和接收数据的协议:(1)每条数据以J Z作为开始符。(2)中间信息段包括子站编号、数据采集的日期时间、数据类型、数据值、仪器状态标识。(3)日期时间和数据之间以@@@作为分隔。(4)不同测量项目以分号作为分隔。(5)每段数据以####作为结束符。(6)每条数据接收后需要回条确认。

子站系统与中心系统间回条确认的方式为:子站系统将要发送的数据存储在发送文本内;子站系统发送数据后等待中心系统的确认消息(即回条);中心系统接收到每条数据后,将数据中固定IP和端口号、数据日期时间、站点编号作为标识并以####结尾,作为回条发送回子站系统;子站系统在确认接收到回条后清除发送文本内对应的数据。没有接收到回条,子站系统将不会删除对应的数据并将持续发送。

为了与广东省站监控平台联网和对接,按照国家和省站的要求,在子站系统的配置文件中,添加省站数据接收软件系统所使用的固定IP地址和端口号、按照国家规定要求编写的子站编号以及需要发送的项目。子站系统将添加新的数据发送文本,数据发送模块按照配置信息,将每个文本内的数据发送到指定IP地址和端口。

4 中心系统的设计及建设

中心系统接收子站系统的数据,将其存储于服务器,并具有数据汇总查询功能。中心系统由中心服务器、数据接收存储软件、数据汇总查询软件组成。

4.1 数据接收存储软件

数据接收存储软件采用C#语言开发,采用SQL Server数据库存储数据。软件时刻监听接收数据的IP地址下的固定端口,在接收到符合协议规范的数据后,将站点编号、日期时间、数据类型、数据值、仪器状态标识存入数据库里对应的表中,图4为设计流程图。

图4 数据接收存储软件设计流程

4.2 数据汇总查询软件

数据汇总查询软件采用C#语言编写,利用SQL结构化查询语言实现对数据库操作。软件包功能有:查询5 min和每个小时的原始值;可对数据质控和质控数据进行查询;可将原始数据和质控数据绘制成曲线图;能自动生成单站多测项报表、多站单参数报表、多站多参数报表、空气质量日报表、单站API日报表。软件为了保护原始数据,在数据库中将原始数据和质控数据存储于两张表中,质控数据的修改将不会对原始数据造成改动,软件具有网页访问查询的功能。图5为登录后查询界面。

图5 数据汇总查询软件登录后查询界面

5 结语

综合利用计算机编程、数据库、计算机通信等信息技术设计建成的广州市空气质量自动监测新系统,主要特点有:可采集种类和数量众多的监测仪器的监测数据;具有确保数据发送和接收的网络及协议;可进行数据查询质控以及日报预报功能;具有远程监控功能;方便日常维护。

整套系统建成已快1年,目前已能稳定运行,并取代传统系统进行日常工作。进一步补充完善系统的通讯及协议,将使其能兼容更多的新型仪器,运行更加稳定有效。

[1]张崇智.基于VB的串口实时数据采集[J].机电工程技术,2005,34(10):79-81.

[2]周威.在VB.NET中用ADO访问Access数据库的方法[J].嘉兴学院学报,2005,17(3):39-41.

[3]庄希环.VB访问SQL SERVER数据库的方案分析[D].天津:天津大学,2002.

The Design and Construction of Air Quality Automatic Monitoring System in Guangzhou

PEI Cheng-lei,LIANG Yong-jian,LIU Wen-bin,KUANGJun-xia
(Guangzhou Environmental Monitoring Central Station,Guangzhou,Guangdong 510030,China)

Guangzhou air quality automatic monitoring system is divided into the sub-station system and the center system which can control and

ata remotely.The sub-station system using serial communication collects data and state information form instruments.In order to ensure data receiving of center system,broadband,wireless and protocol of data sending and receiving are used.Combining visual interface of sub-station system with remote monitoring,sub-stations can be monitored anytime.Daily information and prediction can be completed by using SQL language to access database.

air quality;automatic monitoring system;design;construction

X84

B

1674-6732(2011)-02-0027-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.02.008

2010-09-25;

2010-09-30

裴成磊(1983—),男,助理工程师,硕士,从事空气质量自动监测领域的工作和研究。

(本栏目编辑 陆敏)