0 引 言
改革開放以來，我國經濟發展取得了舉世矚目的成就，但經濟的高速增長是以犧牲生態環境換來的 [1-2]。目前，我國空氣污染狀況比較嚴重，多地頻發嚴重灰霾、酸雨等惡性環境事件 [3-5]，空氣質量開始成為人們普遍關心的社會問題 [6-7]。2012 年 2 月 29 日原環境保護部發布《環境空氣質量標準》（GB 3095-2012），自 2013 年起分批實施，2015 年在全國 338 個地級及以上城市全面實施。標準發布、實施以來，有力引領了我國大氣污染防治工作和環境管理轉型，對制定實施《大氣污染防治行動計劃》、促進全國和重點區域改善環境空氣質量發揮了重要作用。目前，中國環境監測總站建成的城市空氣質量監測網覆蓋全國 338 個主要城市，1 436 個監測站點 [8]，每天按小時對外發布實時空氣質量數據。隨著社會的發展，公眾對監測數據的有效性、實時性、準確性等提出了更高的要求，空氣質量監測網絡面臨著全面升級換代 [9]。
近幾年，隨著無線網絡技術與傳感器技術的快速發展，大量攜帶傳感器的設備接入到網絡中，提供了豐富的數據資源，形成了一張巨大的物聯網。傳統的無線通信技術中，功耗與傳輸距離存在矛盾，很難達到低功耗下的遠距離傳輸。LoRa（Long Range）是一種新型無線通信技術 [10-14]，基于擴頻技術，擁有超高接收靈敏度和超強信噪比，在同樣的功耗條件下相比其他無線方式傳播距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一，且靈敏度高，抗干擾能力強，適合長距離通信與低功耗的物聯網網絡環境。本文基于物聯網與 WebGIS 技術設計了空氣污染因子采集終端與空氣質量監測平臺，實現了污染指標的自動采集、上傳與管理，并在烏魯木齊市區內選取了 7 處位置布設監測站點，以驗證系統的穩定性。
1 系統設計
1.1 工作原理
采集系統采用星形無線網絡拓撲結構組網，多個終端采集節點通過無線方式連接至網關，網關對各節點進行集中管理與控制。終端采集節點采集數據后，通過無線通信方式將數據發送到網關，再由網關將數據傳輸到遠程機房，進行存儲與分析。該組網方式結構簡單，拓展性強，便于后期網絡擴充與維護。系統結構如圖 1 所示。
系統由采集子系統與數據共享平臺組成。采集子系統包括采集節點與網關，具有數據采集、數據處理、數據傳輸等功能。數據共享平臺對上報數據進行存儲、分析，并通過Web 服務器為公眾提供基于 B/S 架構的基礎數據服務。
（1）終端采集節點包含溫濕度傳感器、氣體傳感器、顆粒物傳感器等，定時或實時采集監測區域內的環境參數，并將這些數據通過 I/O 接口發送至 STM32 單片機，單片機對數據編碼處理后經 LoRa 無線通信模塊將數據發送至網關。
（2）網關是數據的中轉站，也是終端采集節點的管理端，其將采集節點發送來的數據通過蜂窩移動網絡或有線網絡等傳輸至接入互聯網的數據處理服務器，保存并為應用服務器提供數據支撐。
（3）數據共享平臺位于中心機房，由數據庫服務器、Web 服務器、GIS 服務器等提供服務支撐。服務器接收到網關轉發的數據后對其進行解析、邏輯分析等操作，剔除異常值，并存儲至數據庫中，Web 平臺提供地圖形式的監測站實時數據查看、圖表統計、歷史數據查詢等功能。
1.2 總體設計
將 LoRa 技術應用于空氣質量監測系統，組建遠距離無線通信網絡，利用 WebGIS 平臺展示空氣質量實時情況，實現空氣污染指標的實時獲取、傳輸、存儲、統計分析等智能管理功能，解決了傳統方式網絡結構復雜、監測點少、樣點無代表性、數據時效性差等問題。
系統監測平臺開發采用 B/S 結構（Browser/Server，瀏覽器 / 服務器模式），系統分為數據來源、硬件支撐、數據資源、應用支撐、應用系統等，系統總體架構如圖 2 所示。
（1）數據來源。空氣質量指數數據來源包括兩部分 ：一部分是部署在各處的傳感器采集的數據，這些數據通過網關傳送至服務器，代表節點附近的空氣質量狀況 ；另一部分是通過互聯網獲取的中國環境監測總站發布的每小時空氣質量監測數據，這些數據由固定位置的大型環境監測站獲取。
（2）硬件支撐。包括各類服務器及網絡設備等。Web 服務器提供 Web 應用支撐，GIS 服務器提供 GIS 功能，數據庫服務器存儲數據資源，服務器分工協作，確保平臺正常運行。
（3）數據資源。數據是平臺的“血液”，有了數據平臺才有存活的價值。數據通過分析、整合、提取與過濾等操作，整合各類資源，供上層服務與模型使用。
（4）應用支撐。包括服務支撐與模型支撐，是平臺的關鍵。通過地圖服務、專題服務等服務的支持，改變了傳統列表式展示的方式，在地圖上，各地的實時空氣質量一目了然。
（5）應用系統。在服務與模型的支撐下，應用系統可提供多個功能，如地圖瀏覽、專題圖瀏覽、空氣質量時報與日報等，為公眾提供界面友好、功能強大的平臺。
2 系統實現
2.1 開發環境
系統開發環境采用 Microsoft Visual Studio Community 2017，使用 MVC 框架，即模型（Model）- 視圖（View）-控制器（Controller），將業務邏輯、數據、界面顯示相分離，組織代碼，將業務邏輯聚集到一個部件內，在改進個性化定制界面及用戶交互時，無需重新編寫業務邏輯。
GIS 服務器使用開源軟件 GeoServer，GeoServer 是符合 OGC WMS/WFS/WCS 標準的地圖服務器，兼容 WMS 和WFS 特性，利用 GeoServer 可以方便地發布地圖數據，允許用戶對特征數據進行更新、刪除、插入操作。WebGIS 客戶端采用 OpenLayers，OpenLayers 是一個用于開發 WebGIS客戶端的開源 JavaScript 包，具有符合行業標準的地理空間數據訪問方法，且兼容大部分主流瀏覽器。GeoServer 配合OpenLayers 能夠非常方便地實現地圖展示與空間和屬性查詢等功能，且無需刷新更新頁面，具有較好的用戶體驗。
2.2 系統功能
2.2.1 地圖瀏覽
地圖瀏覽作為系統主界面，提供了多種地圖切換功能，可以在谷歌影像、谷歌地圖、OpenStreetMap 之間自由切換 ；查看所有監測站的位置、監測站當前的 AQI 值及各監測污指標值，指數背景顏色代表當前該站的 AQI 等級。地圖主界面如圖 3 所示。
2.2.2 數據統計
數據統計頁面以圖表的方式展示實時、近 24 小時、各月及當年空氣質量變化趨勢及分布狀況 [15]。24 小時變化趨勢圖可以詳細顯示各監測站 AQI 及各污染物每小時的變化趨勢，了解污染物的動態變化情況，監測指標界面如圖 4 所示。
年度統計圖以日歷方式顯示當年每天空氣的質量等級。月統計表顯示每月內達到優、良、輕度污染、中度污染、嚴重污染等各等級的天數。空氣質量數據統計界面如圖 5 所示。
2.2.3 歷史數據查詢
歷史數據查詢頁面提供多種查詢方式，在頁面中指定查詢的開始時間與結束時間，可以查詢指定日期范圍內的 AQI日報，AQI 時報，各監測點中所有監測污染物的時報信息，并以列表形式顯示。歷史數據查詢界面如圖 6 所示。
2.2.4 其他功能
其他功能還包括后臺管理、文檔查看、專題圖瀏覽、空氣質量預報等。后臺管理子系統由系統管理員使用、管理，包含用戶管理、監測站管理、基礎數據字典維護、文章管理等 ；使用文檔查看功能可以查看相關標準、新聞資訊、防護措施等文章 ；專題圖瀏覽具有查看發布的各類專題圖的功能 ；空氣質量預報提供來自權威機構的未來 24 小時的空氣質量狀況，供用戶參考。
3 結 語
本文設計并實現了基于 LoRa 技術與 WebGIS 的空氣質量監測平臺，在烏魯木齊市部署運行，對采集的信息進行統一管理，規范運行，取得了良好的效果。平臺實現了數據地圖的可視化與更新實時化，同時還具有查詢、統計、預報等功能，可從多方面豐富系統的實用性，更好地服務用戶。
平臺的實現驗證了物聯網新的發展模式，LoRa 技術與開源 WebGIS 技術框架的結合為其他物聯網與 WebGIS 應用奠定了基礎，探索了新的發展方向與道路，為該模式在精準農業、智慧城市等其他領域應用提供了一定借鑒。目前該平臺尚處于建設初期，還需要不斷完善，以進一步提高系統的穩定性與實用性。相信隨著建設的不斷深入與監測點的增加，在大數據與 AI 技術背景下，系統一定會為精準環境治理提供有效的數據支撐與決策幫助。
