市场背景


  目前,PM2.5问题已经引起了公众高度的关注,它不仅关系到公众生活和城市治理,还关系到国家形象和社会稳定。然而,由于成本原因,各大中城市目前环境监测中心站点都很少,环境监测的数据能够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PM2.5环境监测系统价格在10万美金,国产价格在10-50万人民币,价格昂贵。而且每套设备需要房间安放,因而大大限制了其广泛使用。建设更多的环境监测站点需要巨大的资金投入,成本太高。云创自主研发的PM2.5云监测平台,每个监测点仅是国外同类产品价格的十分之一,只要往挂路灯、电线杆上一挂即可完成部署,依靠太阳能供电,用精度相对较高的进口传感器采集数据,通过GPRS将采集到的数据实时传送到部署了数据立方云计算数据库的数据中心。在云计算平台上,整个城市的空气污染状况可以实时呈现,对于污染过程可以动态跟踪,还具有向公众通过终端查询身边PM2.5情况的能力。廉价的PM2.5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。



产品介绍


  云创自主研发的PM2.5云监测平台突破传统的监测方法,运用创新的设计理念,使环保与云计算技术有机的结合,架构云计算海量数据处理平台。PM2.5云监测平台目前已申请多项专利,目前在多个城市做试点部署测试。

  大规模部署PM2.5云监测平台传感网系统,配合现有的环境监测站点,可及时反映空气质量现状及发展趋势,为空气质量监测和执法提供技术支撑,为环境管理、污染源控制、环境规划等提供科学依据。


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  在城市的不同区域布局并有效使用PM2.5的监测系统,从而能够比较全面地掌握城市不同区域,在不同时间段、不同气候特点(包括气温、风向、季节)下的 PM2.5 的实时监测数据。

  PM2.5云监测平台需用到先进的PM2.5传感器。每套监测系统部署多个PM2.5传感器,当任意一个或者几个传感器出现问题,传感器冗余,保证环境监测系统正常运行,保证本监测点的环境监测数据的可重复。

  PM2.5云监测平台环境数据采集设备采用先进的传感器、低功耗单片机技术和网络通讯技术相结合,具有数据存储功能,可提供方便的数据查询方式,通过GSM、3G等通讯方式及时上传环境监测数据。

  PM2.5云监测平台数据采集监测设备可以用锂电池供电,也可外接交流电供电方式。如果外界电源断电后,设备内的电池直接供电。

  PM2.5云监测平台架构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、环境治理提供数据。

  目前城市市环境监测站的监测设备部署在离地面高度20m-25m之间,PM2.5云监测平台环境监测设备只需部署在离地面1.2-3m高度即可。设备小巧,部署方式灵活,可以部署在电线杆等公共设施上。


  PM2.5云监测平台监控界面


  该平台基于GIS提供监控界面,可支持各类终端访问。


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图1 指定监测点数据查询


技术架构


  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服务器进行数据的处理和公布。具体的架构详见图3:

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图3 PM2.5云监控平台架构

  PM2.5前端设备主要是由电源模块、采集模块和通信模块组成,前端内部架构具体详见图4,实际的PM2.5监测设备详见图5:

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图4 前端设备的架构

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图5 前端设备实物图

  部署方式


  在城市的不同区域布局并有效使用PM2.5的监测系统,从而能够比较全面地掌握城市不同区域,在不同时间段、不同气候特点(包括气温、风向、季节)下的 PM2.5 的实时监测数据。

  PM2.5环境监测系统环境数据采集设备采用先进的传感器、低功耗单片机技术和网络通讯技术相结合,可提供方便的数据查询方式,直接通过浏览器可以直接访问测试数据。

  目前环境监测站的监测设备一般部署在离地面高度20m-25m之间,而云创大数据的PM2.5环境监测系统环境监测设备根据实际的情况来进行部署。设备小巧,部署方式灵活,可以部署在电线杆等公共设施上。详细见图6:


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图6部署在电线杆上前端设备



  采集部分


  另外,虽然肉眼看不见空气中的颗粒物,但是颗粒物却能降低空气的能见度,使蓝天消失,天空变成灰蒙蒙的一片,这种天气就是灰霾天。根据《2010年灰霾试点监测报告》,在灰霾天,PM2.5的浓度明显比平时高,PM2.5的浓度越高,能见度就越低。

  虽然空气中不同大小的颗粒物均能降低能见度,不过相比于粗颗粒物,更为细小的PM2.5降低能见度的能力更强。能见度的降低其本质上是可见光的传播受到阻碍。当颗粒物的直径和可见光的波长接近的时候,颗粒对光的散射消光能力非常强。可见光的波长在0.4-0.7微米之间,而粒径在这个尺寸附近的颗粒物正是PM2.5的主要组成部分。理论计算的数据也清楚地表明这一点:粗颗粒的消光系数约为0.6平方米/克,而PM2.5的消光系数则要大得多,在1.25-10平方米/克之间,其中PM2.5的主要成分硫酸铵、硝酸铵和有机颗粒物的消光系数都在3左右,是粗颗粒的5倍。所以,PM2.5是灰霾天能见度降低的主要原因。

  目前国内外环保部门监测PM2.5普遍采用滤膜称重、β射线吸收和微量振荡天平等方法。除了以上三种测试方法外,还有利用光散射的原理测定颗粒物浓度的方法。该测定方法的原理是:空气中的颗粒物浓度越高,对光的散射就越强。测定光的散射后,就可以算出颗粒物浓度。该测试方式测定速度快,自动化程度高,操作简单。

  本次设备使用的是红外光散射法来进行测试相关的数据。通过相关的探头来进行采集相关的数据。通过采集的通道利用红外光散射来进行获取颗粒浓度。采集空气的通道有固定的加热源,通过加热源来进行空间的动态的采集。将相关的颗粒浓度转换成相关的数据通过无线通信进行数据传输。


  通信部分


  前端设备的通信主要是通过GPRS进行数据的无线传输。

  具体的数据传输的网络示意图详见图7:


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图7 GPRS数据传输

  数据在前端设备基于TCP/IP协议,经过GPRS的数据传输,通过移动网络传输数据,利用公网的服务器接受数据,然后将数据入库后,进行数据的处理,然后通过WEB服务器将数据展现出来。

  注意:每个前端设备有一个供应商的SIM卡进行数据通信,该SIM卡需要有GPRS业务,同时使用的地点必须有供应商的信号。例如使用中国移动的SIM卡,该卡需要有GPRS的业务,同时放置PM2.5测试前端的地点需要有中国移动的信号才可以正常的通信。


  电源部分


  供电方式有两种,一种是锂电池和市电互补的供电方式,另一种是太阳能供电供电方式。


  锂电池供电


  锂电池供电方式是基于市电可以提供的情况下进行的。如果部署的PM2.5设备附近有市电, 这样可以方便进行充电。或者是市电和锂电池进行互补方式进行供电。同时进行对电池进行电压监测,检测供电电压是否正常,电源供电是否正常。锂电池是12V电压,50Ah的规格,可以在没有充电或者没有市电互补的情况下持续10*24h的供电。具体的实物见图8:


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图8 锂电池供电方式的前端设备实物图

  太阳能供电


  太阳能供电方式是基于太阳能进行可持续性的充电,从而避免了提供充电或者接入市电的情况。太阳能供电是利用蓄电池和太阳能互补的方式进行供电,通过太阳能控制器来进行互补。在太阳能供电不能满足供电需求的时候,利用蓄电池进行供电。利用20W的太阳能板,在一定的环境中,可以满足设备的供电要求。蓄电池的规格是12V电压,20Ah的规格,在完全没有太阳能的情况下,可以支持3*24h的无间断供电。该供电方式同时提供电压监测功能。具体的实物详见图9:


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图9 太阳能供电方式的前端设备实物图


优势特性



价格低廉,大规模部署
廉价的PM2.5环境监测设备每个节点只相当于国外同类产品的十分之一,即可满足PM2.5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PM2.5数据发布有参考意义。
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。
扩容性
PM2.5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PM2.5测试的节点,并能自动组网,具有很强的扩容性。
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,且采集时间可以设定,采集的数据实时入库,可实时查询。
采集数据的准确性
采集的数据经过校准,且灵敏度很高,和环保部分发布的PM2.5数据及趋势接近,数据真实有效。实时采集的数据和环境监测站发布PM2.5数据对比图详见图10。

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图10 与环保部发布的PM2.5监测数据的对比


市场应用




应用范围 应用描述 典型用户
环保领域
采集空气污染数据、海量数据处理、动态跟踪污染源和污染过程、提供终端查询PM2.5服务 环保局
移动互联网
提供PM2.5数据终端查询功能 中国移动、中国电信…


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1、什么是PM2.5?

答:PM2.5又称细粒、细颗粒、细颗粒物,是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。

2、PM2.5云监测平台有哪些组成部分?它是怎样工作的?

答:PM2.5云监测平台包括前端设备和后端设备。前端设备采集到对应位置的PM2.5样本值,通过无线传输方式传送到数据接受服务器 ,数据经过解析后,通过PM2.5云监测平台对实时数据的智能分析处理,将实时数据通过Web网页、移动终端展示给终端用户。

3、为什么要建立PM2.5云监测平台?

答:PM2.5云监测平台主要是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。

4、与传统监测系统相比云监测平台有哪些优势?

答:PM2.5云监测平台价格低廉,方便大规模部署,秒级响应可以满足实时监测、预警等需求,并能帮助执法人员快速定位污染源。

5、PM2.5云监测平台为什么不采用传统方案解决存储和分析处理数据问题?


答:PM2.5云监测平台会产生海量的数据。假设一个城市部署了5000个监测点,每个点每5秒上报一次数据,则一天下来,会产生8.64亿条记录,一年就会产生3153.6亿条记录,十年就会产生3万亿条记录。显然,传统的解决方案无法胜任此项工作。

6、PM2.5云监测平台监测的数据是否准确?

答:经过大规模的测试表明,云监测平台监测发布的数据与环保部门发布的数据相比误差在10%以下,是可靠的、准确的。

7、PM2.5云监测平台的云监测节点有哪些部分构成?

答:采集模块(传感器),控制模块(主控制器),通信模块(无线通信器),供电模块(太阳能电池板、蓄电池或锂电池)。

8、PM2.5云监测平台监测节点采集模块应用的原理是什么?

答: 光散射法。该测定方法的原理是:空气中的颗粒物浓度越高,对光的散射就越强。测定光的散射后,就可以算出颗粒物浓度。

9、PM2.5云监测平台是怎样传输数据的?


答: 前端设备的通信主要是通过GPRS进行数据的无线传输。数据在前端设备基于TCP/IP协议,经过GPRS的数据传输,通过移动网络传输数据,利用公网的服务器接受数据,然后将数据入库后,进行数据的处理,最后通过WEB服务器将数据展现出来。

10、PM2.5云监测平台监测节点对布设地点有什么要求?

答:由于每个前端设备有一个运营商的SIM卡进行数据通信,该SIM卡需要有GPRS业务,所以监测节点只需要在运营商(例如中国移动)服务区内即可,无其他特殊要求。

11、PM2.5云监测平台监测节点的能源问题是怎样解决的?

答:监测节点的供电方式有两种,太阳能供电方式或锂电池供电方式。

12、PM2.5云监测平台监测节点在外来不提供能源的情况下可否正常工作?

答:可以正常工作。太阳能供电方式下,如出现太阳能不能及时供给,蓄电池可支持3*24h的无间断供电。锂电池供电方式下,如出现市电不能及时给锂电池充电,锂电池可持续10*24h的供电。

13、PM2.5监测平台监测节点的可靠性是如何保障的?

答:监测节点使用先进的PM2.5传感器。每套监测系统包含多个PM2.5传感器,当任意一个或者几个传感器出现问题,传感器冗余,保证监测节点正常运行。

14、PM2.5云监测平台监测节点日常需要哪些维护?

答: 只有传感器的透镜需要视环境状况隔一段时间进行清洁,约 6 个月一次。清洁时用棉签一头醮清水轻擦,然后用另一头擦干。不可以用酒精等有机溶剂擦拭透镜。

15、PM2.5云监测平台单个监测节点的运营成本大约是多少?

答:单个监测节点的运营成本主要来自两个方面,通信成本和能耗成本。通信成本为5元/月,而单个监测节点的功耗只有5W。

16、PM2.5云监测平台布设完成后,是否可以增减监测节点?

答:可以。PM2.5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,可以动态的增加PM2.5测试的节点,具有很强的扩容性。

17、PM2.5云监测平台采集监测数据的时效性如何?

答: 云监测平台测定速度快,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。

18、PM2.5云监测平台采用的是什么数据库系统?

答:PM2.5云监测平台采用的是云创大数据自主研发的数据立方系统。

19、PM2.5云监测平台的数据库系统是否支持原有系统数据的接入?

答:PM2.5云监测平台采用的数据立方系统支持原有系统数据对接,支持各个版本的数据库对接接入,Oracle ,SQLServer, Mysql等均可。

20、PM2.5云监测平台的系统可靠性怎么保证?

答:PM2.5云监测平台系统利用数据立方的可靠性机制保障和提高数据可靠性。云创大数据彻底解决了当前分布式计算平台易出现的单点故障问题。任何一个节点出现故障,系统将自动屏蔽,而且不会出现丢失数据的现象。

21、PM2.5云监测平台后端系统是如何搭建的?

答:PM2.5云监测平台后端系统包括数据立方一体机,数据接受服务器,PM2.5云监测软件等。

22、PM2.5云监测平台后端系统和前端系统是否必须一起购买?

答:不是。对于小规模用户我们建议直接接入我方平台,大规模用户则建议自建平台。

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