本發(fā)明屬于監(jiān)測網(wǎng)絡與檢測技術領域，具體涉及一種大氣顆粒物低成本監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波方法。

背景技術：

隨著城市建設規(guī)模的不斷擴大、城市功能區(qū)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局的不斷優(yōu)化、調(diào)整，許多城市在城市環(huán)境、城市建設規(guī)模和人口數(shù)量、分布等方面都有了很大變化，原有的城市環(huán)境大氣顆粒物監(jiān)測設備都呈現(xiàn)出數(shù)量上的不足或者空間分布上的不科學，不能繼續(xù)滿足城市環(huán)境空氣監(jiān)測的技術要求，從而需要增設或調(diào)整。

采用城市公交車為載體，車載大氣顆粒物濃度測量傳感器以及定位設備，結(jié)合無線傳輸技術，就能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模近地監(jiān)測空氣污染。由于低成本的大氣顆粒傳感器測量精度和準確度方面存在很多固有缺陷，本發(fā)明提出一種濾波方法以濾除數(shù)據(jù)中大量隨機噪聲。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種大氣顆粒物低成本大規(guī)模監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波方法，通過新的濾波方法提高低成本監(jiān)測的數(shù)據(jù)可靠性與穩(wěn)定性。

本發(fā)明公開了一種大氣顆粒物低成本監(jiān)測系統(tǒng)，包括：設置于汽車上的顆粒物監(jiān)測裝置、為顆粒物監(jiān)測裝置供電的車載供電裝置以及與顆粒物監(jiān)測裝置無線傳輸并能連接互聯(lián)網(wǎng)的服務器，顆粒物監(jiān)測裝置包括：顆粒物傳感器、控制器、存儲器、定位模塊和無線傳輸模塊；顆粒物傳感器、定位模塊、存儲器及無線傳輸模塊分別與控制器電性連接，傳感器能夠連續(xù)獲取顆粒物數(shù)據(jù)并傳輸給控制器，定位模塊能夠?qū)崟r獲取位置數(shù)據(jù)并傳輸給控制器，控制器將數(shù)據(jù)存儲在存儲器中并進行濾波處理，然后時通過無線傳輸模塊發(fā)送到服務器中。

進一步地，服務器包括數(shù)據(jù)服務中心、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)頁服務器；數(shù)據(jù)服務中心用于數(shù)據(jù)處理并將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中以及通過網(wǎng)頁服務器顯示。

進一步地，車載供電裝置包括太陽能電池板和存儲太陽能電池板所發(fā)電量的電池。

進一步地，太陽能電池板通過磁鐵貼合到車輛頂部的前部。

進一步地，存儲器為具有掉電保護功能的存儲器。

進一步地，公共交通系統(tǒng)的車輛為公交車、出租車和公共自行車。

本發(fā)明還公開了一種應用于上述監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)濾波方法，包括如下步驟：

步驟一：建立濃度與時間關系的回歸方程y＝k*x+b；其中y為顆粒物濃度，x為時間；

步驟二：將傳感器獲取的濃度值作為數(shù)據(jù)樣本，以各樣本點到回歸方程距離之和最小時作為評價標準求解k和b，其中距離之和公式為

步驟三：將k、b和某時刻x的值代入回歸方程y＝k*x+b得到該時刻下濃度y的值。

進一步地，步驟二中，k和b的值的求解方法為：令|(k*xj+b)-yj|＝uj+vj，(k*xj+b)-yj＝uj-vj，uj≥0，vj≥0；將距離之和公式為轉(zhuǎn)化為：

然后利用線性規(guī)劃庫pulp解得d取最小值時的k和b的值。

本發(fā)明具有的有益效果：

通過數(shù)據(jù)濾波算法，提高低成本監(jiān)測裝置的所采集數(shù)據(jù)的可靠性與準確，以便借助城市公交車、公共自行車、出租車等移動平臺構(gòu)成的移動網(wǎng)絡，構(gòu)建大規(guī)模城市大氣顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)，可以彌補城市環(huán)境監(jiān)測傳統(tǒng)方法上節(jié)點不足與分布不均的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1所示實施例中顆粒物監(jiān)測裝置和車載供電裝置的安裝位置示意圖；

圖3是圖1所示實施例中顆粒物監(jiān)測裝置和車載供電裝置的連接示意圖；

圖4是圖1所示實施例中傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出圖像。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1至4所示，一種大氣顆粒物低成本監(jiān)測系統(tǒng)，包括：設置于汽車上的顆粒物監(jiān)測裝置、為顆粒物監(jiān)測裝置供電的車載供電裝置以及與顆粒物監(jiān)測裝置無線傳輸并能連接互聯(lián)網(wǎng)的服務器。顆粒物監(jiān)測裝置安裝在汽車車頭的頂部，顆粒物監(jiān)測裝置包括：顆粒物傳感器、控制器、存儲器、定位模塊和無線傳輸模塊。顆粒物傳感器、定位模塊、存儲器及無線傳輸模塊分別與控制器電性連接，傳感器能夠連續(xù)獲取顆粒物數(shù)據(jù)并傳輸給控制器，定位模塊能夠?qū)崟r獲取位置數(shù)據(jù)并傳輸給控制器，控制器將獲取的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中、同時通過無線傳輸模塊發(fā)送到服務器中。

作為優(yōu)選方案，服務器通過公有互聯(lián)網(wǎng)服務器網(wǎng)絡地址作為接口，讓顆粒物監(jiān)測裝置能夠進行數(shù)據(jù)上傳。服務器上完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)顯示功能。其具體包括包括數(shù)據(jù)服務中心、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)頁服務器。數(shù)據(jù)服務中心用于數(shù)據(jù)處理并將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中以及通過網(wǎng)頁服務器顯示于接入互聯(lián)網(wǎng)的其它設備中。

作為優(yōu)選方案，車載供電裝置包括太陽能電池板和存儲太陽能電池板所發(fā)電量的電池。

作為優(yōu)選方案，存儲器為具有掉電保護功能的存儲器，具體可選用sd存儲卡、flash存儲卡或eeprom，該類存儲器掉電時數(shù)據(jù)不會丟失，提高了監(jiān)測過程的安全系數(shù)。

作為優(yōu)選方案，顆粒物監(jiān)測裝置和太陽能電池板均通過強力磁鐵吸附在車頂表面，且顆粒物監(jiān)測裝置在前而太陽能電池板在后。

作為優(yōu)選方案，公共交通系統(tǒng)的車輛為公交車、出租車和公共自行車。借助這類使用頻次高且活動范圍廣的交通工具可以高效、全面收集數(shù)據(jù)信息，從而提高數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。

當車輛行駛在城市道路上時，顆粒物監(jiān)測裝置開始工作。控制器負責管理設備中的顆粒物傳感器、定位模塊以及無線傳輸模塊的工作，并且將監(jiān)測數(shù)據(jù)備份存入存儲器里。顆粒物傳感器選用低成本的大氣顆粒物傳感器，其會連續(xù)測量車輛行駛過程的道路顆粒物濃度情況，并且按照傳感器設計的傳輸協(xié)議將顆粒物濃度值傳輸給控制器。而定位模塊，例如gps，會實時獲取到車輛的位置信息，同樣按照國際規(guī)定的gps數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸給控制器。無線傳輸模塊可以使用gprs模塊，通過gprs模塊可以獲取到utc(通用協(xié)調(diào)時)時間，控制器將時間轉(zhuǎn)化為北京時間。接下來車載控制器將時間信息、地理信息以及顆粒物濃度信息一并按照一定格式存入存儲器，同時通過無線傳輸模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)服務中心。

數(shù)據(jù)服務中心將數(shù)據(jù)按照一定的格式提取出來，存入到服務器的數(shù)據(jù)庫里。云服務器需要安裝相應數(shù)據(jù)處理軟件python2.7。由于低成本顆粒物傳感器在監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性上出現(xiàn)噪點多的現(xiàn)象，因此利用python軟件對數(shù)據(jù)進行濾波處理。數(shù)據(jù)濾波處理后將處理結(jié)果存入到數(shù)據(jù)庫中。最后市民利用互聯(lián)網(wǎng)在終端設備上瀏覽監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本發(fā)明中采用的顆粒物濃度傳感器為低成本的傳感器，故普遍存在測量精度不高，測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等諸多問題，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)中存在大量的奇異野點，因此本發(fā)明還采用一種數(shù)據(jù)隨即噪聲濾波方法，以此來提高監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)濾波方法為不直接輸出每一次的傳感器數(shù)據(jù)而是根據(jù)傳感器原始歷史數(shù)據(jù)進行下一次數(shù)據(jù)預測，并且輸出這個預測值。其具體方法包括如下步驟：

步驟一：建立濃度與時間關系的回歸方程y＝k*x+b；其中y為顆粒物濃度值即輸出結(jié)果，x為時間。

步驟二：將傳感器獲取的濃度值作為數(shù)據(jù)樣本，以各樣本點到回歸方程距離之和最小時作為評價標準求解k和b，其中距離之和公式為k和b的求解方法為：令|(k*xj+b)-yj|＝uj+vj，(k*xj+b)-yj＝uj-vj，uj≥0，vj≥0；將距離之和公式為轉(zhuǎn)化為然后通過python語言中線性規(guī)劃庫pulp得出最小距離和下的k和b的值。

步驟三：將k和b的值代入回歸方程y＝k*x+b中得到最佳回歸方程，然后帶入xn得到預測結(jié)果yn＝k*xn+b。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發(fā)明的保護范圍。