市場背景


  目前,PM2.5問題已經引起了公眾高度的關注,它不僅關系到公眾生活和城市治理,還關系到國家形象和社會穩定。然而,由于成本原因,各大中城市目前環境監測中心站點都很少,環境監測的數據能夠從宏觀上反映城市的整體的空氣質量,但是不能從微觀上反映局部區域、特定區域的空氣質量的好壞,這就需要建設更多的環境監測站點,提供更多的實時的環境監測數據。

  國外一套PM2.5環境監測系統價格在10萬美金,國產價格在10-50萬人民幣,價格昂貴。而且每套設備需要房間安放,因而大大限制了其廣泛使用。建設更多的環境監測站點需要巨大的資金投入,成本太高。云創自主研發的PM2.5云監測平臺,每個監測點僅是國外同類產品價格的十分之一,只要往掛路燈、電線桿上一掛即可完成部署,依靠太陽能供電,用精度相對較高的進口傳感器采集數據,通過GPRS將采集到的數據實時傳送到部署了數據立方云計算數據庫的數據中心。在云計算平臺上,整個城市的空氣污染狀況可以實時呈現,對于污染過程可以動態跟蹤,還具有向公眾通過終端查詢身邊PM2.5情況的能力。廉價的PM2.5環境監測系統與目前的傳統監測站點的監測方式形成互補,滿足公眾環境需求。



產品介紹


  云創自主研發的PM2.5云監測平臺突破傳統的監測方法,運用創新的設計理念,使環保與云計算技術有機的結合,架構云計算海量數據處理平臺。PM2.5云監測平臺目前已申請多項專利,目前在多個城市做試點部署測試。

  大規模部署PM2.5云監測平臺傳感網系統,配合現有的環境監測站點,可及時反映空氣質量現狀及發展趨勢,為空氣質量監測和執法提供技術支撐,為環境管理、污染源控制、環境規劃等提供科學依據。


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  在城市的不同區域布局并有效使用PM2.5的監測系統,從而能夠比較全面地掌握城市不同區域,在不同時間段、不同氣候特點(包括氣溫、風向、季節)下的 PM2.5 的實時監測數據。

  PM2.5云監測平臺需用到先進的PM2.5傳感器。每套監測系統部署多個PM2.5傳感器,當任意一個或者幾個傳感器出現問題,傳感器冗余,保證環境監測系統正常運行,保證本監測點的環境監測數據的可重復。

  PM2.5云監測平臺環境數據采集設備采用先進的傳感器、低功耗單片機技術和網絡通訊技術相結合,具有數據存儲功能,可提供方便的數據查詢方式,通過GSM、3G等通訊方式及時上傳環境監測數據。

  PM2.5云監測平臺數據采集監測設備可以用鋰電池供電,也可外接交流電供電方式。如果外界電源斷電后,設備內的電池直接供電。

  PM2.5云監測平臺架構云計算海量數據處理平臺,存儲本區域海量數據,積累長期監測資料,為研究環境容量、實施總量控制、目標管理、預測預報環境質量、環境治理提供數據。

  目前城市市環境監測站的監測設備部署在離地面高度20m-25m之間,PM2.5云監測平臺環境監測設備只需部署在離地面1.2-3m高度即可。設備小巧,部署方式靈活,可以部署在電線桿等公共設施上。


  PM2.5云監測平臺監控界面


  該平臺基于GIS提供監控界面,可支持各類終端訪問。


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圖1 指定監測點數據查詢


技術架構


  總體架構


  前端設備采集到相關的信息,通過GPRS進行無線數據傳輸,在有公網IP的服務器上進行數據接收和初步的處理,然后數據存入數據立方進行存儲和計算,并且通過WEB服務器進行數據的處理和公布。具體的架構詳見圖3:

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圖3 PM2.5云監控平臺架構

  PM2.5前端設備主要是由電源模塊、采集模塊和通信模塊組成,前端內部架構具體詳見圖4,實際的PM2.5監測設備詳見圖5:

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圖4 前端設備的架構

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圖5 前端設備實物圖

  部署方式


  在城市的不同區域布局并有效使用PM2.5的監測系統,從而能夠比較全面地掌握城市不同區域,在不同時間段、不同氣候特點(包括氣溫、風向、季節)下的 PM2.5 的實時監測數據。

  PM2.5環境監測系統環境數據采集設備采用先進的傳感器、低功耗單片機技術和網絡通訊技術相結合,可提供方便的數據查詢方式,直接通過瀏覽器可以直接訪問測試數據。

  目前環境監測站的監測設備一般部署在離地面高度20m-25m之間,而云創大數據的PM2.5環境監測系統環境監測設備根據實際的情況來進行部署。設備小巧,部署方式靈活,可以部署在電線桿等公共設施上。詳細見圖6:


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圖6部署在電線桿上前端設備



  采集部分


  另外,雖然肉眼看不見空氣中的顆粒物,但是顆粒物卻能降低空氣的能見度,使藍天消失,天空變成灰蒙蒙的一片,這種天氣就是灰霾天。根據《2010年灰霾試點監測報告》,在灰霾天,PM2.5的濃度明顯比平時高,PM2.5的濃度越高,能見度就越低。

  雖然空氣中不同大小的顆粒物均能降低能見度,不過相比于粗顆粒物,更為細小的PM2.5降低能見度的能力更強。能見度的降低其本質上是可見光的傳播受到阻礙。當顆粒物的直徑和可見光的波長接近的時候,顆粒對光的散射消光能力非常強。可見光的波長在0.4-0.7微米之間,而粒徑在這個尺寸附近的顆粒物正是PM2.5的主要組成部分。理論計算的數據也清楚地表明這一點:粗顆粒的消光系數約為0.6平方米/克,而PM2.5的消光系數則要大得多,在1.25-10平方米/克之間,其中PM2.5的主要成分硫酸銨、硝酸銨和有機顆粒物的消光系數都在3左右,是粗顆粒的5倍。所以,PM2.5是灰霾天能見度降低的主要原因。

  目前國內外環保部門監測PM2.5普遍采用濾膜稱重、β射線吸收和微量振蕩天平等方法。除了以上三種測試方法外,還有利用光散射的原理測定顆粒物濃度的方法。該測定方法的原理是:空氣中的顆粒物濃度越高,對光的散射就越強。測定光的散射后,就可以算出顆粒物濃度。該測試方式測定速度快,自動化程度高,操作簡單。

  本次設備使用的是紅外光散射法來進行測試相關的數據。通過相關的探頭來進行采集相關的數據。通過采集的通道利用紅外光散射來進行獲取顆粒濃度。采集空氣的通道有固定的加熱源,通過加熱源來進行空間的動態的采集。將相關的顆粒濃度轉換成相關的數據通過無線通信進行數據傳輸。


  通信部分


  前端設備的通信主要是通過GPRS進行數據的無線傳輸。

  具體的數據傳輸的網絡示意圖詳見圖7:


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圖7 GPRS數據傳輸

  數據在前端設備基于TCP/IP協議,經過GPRS的數據傳輸,通過移動網絡傳輸數據,利用公網的服務器接受數據,然后將數據入庫后,進行數據的處理,然后通過WEB服務器將數據展現出來。

  注意:每個前端設備有一個供應商的SIM卡進行數據通信,該SIM卡需要有GPRS業務,同時使用的地點必須有供應商的信號。例如使用中國移動的SIM卡,該卡需要有GPRS的業務,同時放置PM2.5測試前端的地點需要有中國移動的信號才可以正常的通信。


  電源部分


  供電方式有兩種,一種是鋰電池和市電互補的供電方式,另一種是太陽能供電供電方式。


  鋰電池供電


  鋰電池供電方式是基于市電可以提供的情況下進行的。如果部署的PM2.5設備附近有市電, 這樣可以方便進行充電。或者是市電和鋰電池進行互補方式進行供電。同時進行對電池進行電壓監測,檢測供電電壓是否正常,電源供電是否正常。鋰電池是12V電壓,50Ah的規格,可以在沒有充電或者沒有市電互補的情況下持續10*24h的供電。具體的實物見圖8:


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圖8 鋰電池供電方式的前端設備實物圖

  太陽能供電


  太陽能供電方式是基于太陽能進行可持續性的充電,從而避免了提供充電或者接入市電的情況。太陽能供電是利用蓄電池和太陽能互補的方式進行供電,通過太陽能控制器來進行互補。在太陽能供電不能滿足供電需求的時候,利用蓄電池進行供電。利用20W的太陽能板,在一定的環境中,可以滿足設備的供電要求。蓄電池的規格是12V電壓,20Ah的規格,在完全沒有太陽能的情況下,可以支持3*24h的無間斷供電。該供電方式同時提供電壓監測功能。具體的實物詳見圖9:


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圖9 太陽能供電方式的前端設備實物圖


優勢特性



價格低廉,大規模部署
廉價的PM2.5環境監測設備每個節點只相當于國外同類產品的十分之一,即可滿足PM2.5監測、數據傳輸功能,無需國外昂貴的監測設備,和現有的環境監測點形成有利互補,對PM2.5數據發布有參考意義。
云計算海量數據處理技術
架構云計算海量數據處理平臺,采用先進的云計算處理技術,對環境監測的數據入庫和關聯查詢快速響應,支持自動容錯和動態擴展,具有實時性、高可靠性、可伸縮性、高性價比等特點。
擴容性
PM2.5監測前端設備可以根據需求進行增加設備,擴展整個系統的覆蓋面積,但是不需要繼續復雜的操作,可以動態的增加PM2.5測試的節點,并能自動組網,具有很強的擴容性。
實時性
測定速度快,自動化程度高。測試方法決定了測試的實時性,采集時間實現秒級響應,且采集時間可以設定,采集的數據實時入庫,可實時查詢。
采集數據的準確性
采集的數據經過校準,且靈敏度很高,和環保部分發布的PM2.5數據及趨勢接近,數據真實有效。實時采集的數據和環境監測站發布PM2.5數據對比圖詳見圖10。

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圖10 與環保部發布的PM2.5監測數據的對比


市場應用




應用范圍 應用描述 典型用戶
環保領域
采集空氣污染數據、海量數據處理、動態跟蹤污染源和污染過程、提供終端查詢PM2.5服務 環保局
移動互聯網
提供PM2.5數據終端查詢功能 中國移動、中國電信…


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1、什么是PM2.5?

答:PM2.5又稱細粒、細顆粒、細顆粒物,是指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物。

2、PM2.5云監測平臺有哪些組成部分?它是怎樣工作的?

答:PM2.5云監測平臺包括前端設備和后端設備。前端設備采集到對應位置的PM2.5樣本值,通過無線傳輸方式傳送到數據接受服務器 ,數據經過解析后,通過PM2.5云監測平臺對實時數據的智能分析處理,將實時數據通過Web網頁、移動終端展示給終端用戶。

3、為什么要建立PM2.5云監測平臺?

答:PM2.5云監測平臺主要是反映局部區域的相關參考值,從而和宏觀上反映城市的整體的空氣質量的監測站點的監測方式形成互補。

4、與傳統監測系統相比云監測平臺有哪些優勢?

答:PM2.5云監測平臺價格低廉,方便大規模部署,秒級響應可以滿足實時監測、預警等需求,并能幫助執法人員快速定位污染源。

5、PM2.5云監測平臺為什么不采用傳統方案解決存儲和分析處理數據問題?


答:PM2.5云監測平臺會產生海量的數據。假設一個城市部署了5000個監測點,每個點每5秒上報一次數據,則一天下來,會產生8.64億條記錄,一年就會產生3153.6億條記錄,十年就會產生3萬億條記錄。顯然,傳統的解決方案無法勝任此項工作。

6、PM2.5云監測平臺監測的數據是否準確?

答:經過大規模的測試表明,云監測平臺監測發布的數據與環保部門發布的數據相比誤差在10%以下,是可靠的、準確的。

7、PM2.5云監測平臺的云監測節點有哪些部分構成?

答:采集模塊(傳感器),控制模塊(主控制器),通信模塊(無線通信器),供電模塊(太陽能電池板、蓄電池或鋰電池)。

8、PM2.5云監測平臺監測節點采集模塊應用的原理是什么?

答: 光散射法。該測定方法的原理是:空氣中的顆粒物濃度越高,對光的散射就越強。測定光的散射后,就可以算出顆粒物濃度。

9、PM2.5云監測平臺是怎樣傳輸數據的?


答: 前端設備的通信主要是通過GPRS進行數據的無線傳輸。數據在前端設備基于TCP/IP協議,經過GPRS的數據傳輸,通過移動網絡傳輸數據,利用公網的服務器接受數據,然后將數據入庫后,進行數據的處理,最后通過WEB服務器將數據展現出來。

10、PM2.5云監測平臺監測節點對布設地點有什么要求?

答:由于每個前端設備有一個運營商的SIM卡進行數據通信,該SIM卡需要有GPRS業務,所以監測節點只需要在運營商(例如中國移動)服務區內即可,無其他特殊要求。

11、PM2.5云監測平臺監測節點的能源問題是怎樣解決的?

答:監測節點的供電方式有兩種,太陽能供電方式或鋰電池供電方式。

12、PM2.5云監測平臺監測節點在外來不提供能源的情況下可否正常工作?

答:可以正常工作。太陽能供電方式下,如出現太陽能不能及時供給,蓄電池可支持3*24h的無間斷供電。鋰電池供電方式下,如出現市電不能及時給鋰電池充電,鋰電池可持續10*24h的供電。

13、PM2.5監測平臺監測節點的可靠性是如何保障的?

答:監測節點使用先進的PM2.5傳感器。每套監測系統包含多個PM2.5傳感器,當任意一個或者幾個傳感器出現問題,傳感器冗余,保證監測節點正常運行。

14、PM2.5云監測平臺監測節點日常需要哪些維護?

答: 只有傳感器的透鏡需要視環境狀況隔一段時間進行清潔,約 6 個月一次。清潔時用棉簽一頭醮清水輕擦,然后用另一頭擦干。不可以用酒精等有機溶劑擦拭透鏡。

15、PM2.5云監測平臺單個監測節點的運營成本大約是多少?

答:單個監測節點的運營成本主要來自兩個方面,通信成本和能耗成本。通信成本為5元/月,而單個監測節點的功耗只有5W。

16、PM2.5云監測平臺布設完成后,是否可以增減監測節點?

答:可以。PM2.5監測前端設備可以根據需求進行增加設備,擴展整個系統的覆蓋面積,可以動態的增加PM2.5測試的節點,具有很強的擴容性。

17、PM2.5云監測平臺采集監測數據的時效性如何?

答: 云監測平臺測定速度快,自動化程度高。測試方法決定了測試的實時性,采集時間實現秒級響應,且采集時間可以任意設定,采集的數據實時入庫,可實時查詢。

18、PM2.5云監測平臺采用的是什么數據庫系統?

答:PM2.5云監測平臺采用的是云創大數據自主研發的數據立方系統。

19、PM2.5云監測平臺的數據庫系統是否支持原有系統數據的接入?

答:PM2.5云監測平臺采用的數據立方系統支持原有系統數據對接,支持各個版本的數據庫對接接入,Oracle ,SQLServer, Mysql等均可。

20、PM2.5云監測平臺的系統可靠性怎么保證?

答:PM2.5云監測平臺系統利用數據立方的可靠性機制保障和提高數據可靠性。云創大數據徹底解決了當前分布式計算平臺易出現的單點故障問題。任何一個節點出現故障,系統將自動屏蔽,而且不會出現丟失數據的現象。

21、PM2.5云監測平臺后端系統是如何搭建的?

答:PM2.5云監測平臺后端系統包括數據立方一體機,數據接受服務器,PM2.5云監測軟件等。

22、PM2.5云監測平臺后端系統和前端系統是否必須一起購買?

答:不是。對于小規模用戶我們建議直接接入我方平臺,大規模用戶則建議自建平臺。

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