城市环境空气自动监测站智能化巡检系统的设计与应用

郑瑶,娄亚敏 吉宏坤 南淑清

摘要：城市环境空气质量监测智能化巡检系统，是对城市空气质量自动监测站点社会化运维工作进行有效监管、记录的平台，能实现对人员、工作痕迹及文件管理等多種功能。本文详细介绍了河南省智能运维巡检平台的框架、结构及关键技术，提供了智能巡检整体解决方案：“云平台”+“移动平台”+“终端应用”，实现对站点运维工作的整体管控，为站点的辅助管理提供技术支撑。

关键词：环境空气;自动监测;智能化巡检

中图分类号：X84 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）07-0-02

Abstract：Intelligent Inspection system for Automatic monitoring of ambient air quality， as a new kind of system，can achieve effective supervision and recording of operation and maintenance activities for the automatic monitoring station of urban air quality. It can realize many functions such as personnel management， traceability of operation and maintenance activities and document management. This article describes the platform architecture and key technologies in detail， and provides the overall solution which contains the “cloud platform”， “mobile platform” and “terminal application”. The Intelligent Inspection System can provide technical support for the assist management of environmental air monitoring station.

Key words： Ambient air;Intelligent inspection system;Automatic monitoring

2016年1月1日起，《环境空气质量标准》（GB3095-2012）正式在我国实施，标准的实施对空气自动监测站监测数据的连续性及运维管理等方面提出了更高的要求，各省为了精准掌握环境治理成效，层层传导考核压力，导致国控、省控等各级空气自动监测站点数量急速增加。但运维各级环境监测站点所需的人力资源受到编制、财力等条件的约束，并没有加强。在这种环境下，就产生了社会化服务机构，经过近几年的发展，社会化服务机构不断壮大，已经成为环境监测站点运维的主力军[1]。而空气自动监测站的运维质量受到各方面的影响，如：相关的技术规范、管理制度和质量控制措施等，再加上社会化服务机构运维人员的专业水平参差不齐以及实际投入运维的技术人员数量有限，造成运维质量难以达标，所以借助计算机技术来提高环境空气自动监测点的管理水平势在必行[2]。

城市环境空气自动监测站智能化巡检系统是一个功能强大、齐全的空气质量监测网络，它是以城市空气自动监测站的日常运维管理为基础进行开发的，其不仅能够实时并有效的监控监测站运维人员的巡检工作，还可以对监测站的故障种类和发生的频率等情况进行统计和分类，实现了对监测站运维工作的规范化、标准化和高效化管理[3]。在此背景下，本文结合河南省环境空气监测站的实际运维管理现状，采用先进的计算机技术开发了基于城市环境空气质量的实时动态巡检平台，经过近一年时间的试运营，结果表明本平台不仅能够提高对监测站巡检工作的管理效率，也为政府环境管理部门对社会化服务机构进行管理、考核提供了重要的参考依据[4]。

1 系统设计目标

系统设计目标分以下三个方面：一是实现对环境空气自动监测站的运维管理，包含运维人员对空气站运维的日常巡检计划、巡检路线、巡检情况等;二是通过本系统可以很容易的生成各种报表，还可以对报表中的数据进行统计、分类，以及分析处理;三是建立非正常运行（校准、停电、电压波动不稳、通讯故障、仪器故障）报告、检修和数据处理程序。通过该系统，可直观还原巡检人员的整个巡检过程，并支撑远程下发专项任务，提升维护工作整体调度能力，并为管理部门对社会化服务机构考核提供依据。

2 系统总体方案

根据需求分析，本系统分为三层。最底层为监测层，即在每个监测点（空气自动监测站）布设IC卡作为信息载体，以便于上层对其进行信息采集;中间层为巡检采集层，本层的主要装置为手持射频读写器，读写器可以读取监测层中监测点上的存储的数据，并通过读写器中的通讯模块把采集的数据上传到服务器端;最上层为数据管理层，本层的主要功能是接收巡检采集层发送的数据信息，并把这些信息存储到服务器的相关数据库中，并通过上位机软件实现了对数据库中数据的统计、分析和处理等操作。本系统的总体结构图如图1所示。

3 系统软件设计

3.1 智能终端软件设计

巡检采集层软件采用标准的C语言进行开发，C语言具有执行效率高的特点，为了实现各个模块间能够无缝对接，在设计软件时采用了模块化设计思想，最终达到了高内聚、低耦合的目的。巡检采集层软件的总体设计流程如图2所示。

使用手持射频读写器完成相应的数据采集前，巡检人员首先要等级自己的身份信息，即进行身份的认证，认证完成后，可以进入到主界面进行操作信息的设置，待相关设置初始化完成后，就可以使用该读写器读取计划内监测点的数据信息了。巡检完成后，点击“上传”按钮，即可把相关信息传送到数据管理层的数据库中。

手持射频读写器的总体工作流程如图3所示。在手持射频读写器开机后，系统即可进行自动初始化，包括设备运行时的一些必要信息的配置，如电源、中断、数据上传等信息的配置。其中利用中断程序可以对电源的状态进行监控，当电源的电量少于某个特定的值时，就会产生一个外部中断，系统就会跳到中断程序进行处理，即把电源与系统断开，停止供电。如果电源正常，则系统进入正常的初始化程序，完成初始化后，要求进行员工认证，即读取并识别员工的员工卡ID号。如果读卡不成功，或者不是合法的员工卡，则系统会提示读卡不成功，并继续处于读卡状态。如果读卡成功，则进入到系统巡检设置界面，员工对系统进行设置后，方可进入监测状态。正常读取监测点的信息后，系统会自动把员工的员工卡ID号、监测点编号等信息发给系统的通讯模块，通讯模块利用把数据上传到具有独立IP的服务器。这一过程完成后，系统会继续等待员工的下一步操作。

3.2 上位机软件设计

系统上位机软件的作用是接收数据，即接收手持射频读写器发送过来的监测数据，并将该数据进行分析处理，然后放入数据库中。

3.2.1 上位机软件的需求分析

经过监测站调研以及系统的功能管理模型，确定了该平台的上位机软件的功能如下：

（1）数据接收功能，即对能够接收监测终端传过来的监测数据。（2）对接收到的数据进行分析，并存储入库功能。（3）权限的设置和管理功能，以增加系统的安全性。（4）对数据库中存储的数据进行统计、分析和显示功能。（5）易操作，界面友好、美观大方。

3.2.2 系统功能的结构

在开发过程中采取了三层C/S结构进行开发设计，形成了客户端的界面层、中间业务逻辑层和后台服务器层的三层逻辑结构。如图4所示。

上位机软件是平台所有数据的管理中心、数据支撑中心，不仅能够完成数据的永久性存储，还能对数据进行分析处理、分类操作，以生成数据的各种报表。根据巡检要求以及软件的需求分析，确定了上位机软件的六大功能模块，其功能模块结构图如图5所示。

在上位机软件的主界面中，对于六大功能模块的每项功能都有相对应的按钮，以便于进行完每项操作后确认完成。其中对于监测点的管理功能主要是对监测点的添加和删除功能;可以通过添加巡检计划和查询巡检计划来实现对巡检计划的管理;可以利用员工管理功能对员工信息进行查询，对于新入职的员工也可以通过员工管理功能添加新员工;系统的报表管理功能主要是对巡检数据的各种统计功能，并生成相应的报表，如按时间，或者按照巡检点进行报表统计并打印。在整个操作完成后，若无外派员工出勤，则可利用菜单退出系统。

3.3 數据库软件设计

本平台的数据库采用微软的SQL Server 2008。SQL Server数据库能够与微软的.NET框架进行紧密的结合，几乎支持所有类型的客户应用程序。根据对巡检数据的需求可以得到本系统数据库各实体的E-R图，其中各巡检实体间的E-R图如图6所示。

根据数据库的需求分析以及各实体之间的E-R图，设计出系统的数据库表，包括工作信息表、员工信息表、巡检计划表等多个数据库表，其中工作信息表如表1所示。

4 结论

本文结合计算机技术开发了城市环境空气质量监测智能化巡检系统，通过本系统可以方便、快捷的查询具体的巡检情况，还可以对巡检信息进行分析、统计，并生成相关报表，该系统不仅能够提高管理的效率，还为河南省环境管理部门对社会化服务机构进行管理提供科学依据，具有显著的应用价值。

参考文献

[1]王强，钟琪，迟颖，张杨，杨凯.中国环境空气质量监测现状与发展[J].中国环境监测，2004，20（6）：9-10.

[2]解淑艳，杜丽，张欣，李钢.建立环境空气监测点位系统化管理模式的几点建议[J].环境保护，2014，13（14）：52-54.

[3]李娟，王湜.环境空气自动监测站社会化运维量化评估体系研究[J].环境监测管理与技术，2015，27（5）：1-3.

[4]邢梦林，张军，王潇磊，郑瑶，李明.河南省环境空气自动监控系统设计与研究[J].环境科学与管理，2013，38（11）：111-116.

[5]李娟，王湜.环境空气自动监测质量管理框架体系研究[J].环境监控与预警，2016，8（1）：72-75.

收稿日期：2019-05-22

作者简介：郑瑶（1983-），女，工程师，研究方向为环境自动监测。