一种基于窄带物联网的城市声光污染监测系统及方法与流程
本发明属于环境监测技术领域，特别涉及一种基于窄带物联网技术的城市声光污染监测系统及方法。
背景技术：
光污染是工业文明和城市化进程的副作用产物。随着社会经济的持续发展、生产力水平的不断提高，各式各样的电光源充斥着城市的每个角落。人们借助城市夜景照明获得了安全、舒适、美好的夜间环境，于此同时，在城市建设过程中，由于光源或者灯具的不合理安装及使用，随之带来了一系列光污染问题。光污染主要包括光入侵、过度照明、眩光、光杂波和天空辉光等。这些光污染既浪费了大量的电力能源，破坏夜空环境，又给人们的生产生活和生态系统都带来了严重的影响。
噪声是声源做无规则振动时发出的声音。依据噪声来源不同，噪声可分为交通噪声、工业噪声、建筑噪声和社会噪声。噪声污染是公害，它没有污染物，传播时不会在环境中留下有害物质，对环境的影响不累积、不持久，传播距离有限，噪声源类型多且分散，无法集中处理。这些噪声给人、动物、仪器仪表和建筑设施都带来极大的危害。
光污染和噪声污染严重影响着人们的生活质量水平，不利于社会健康可持续发展，需要引起相关环境保护部门的重视。由于光污染和噪声污染在时空分布上都具有一定的随机性和瞬时性，因此为了获得声光污染的真实情况，非常有必要建立相应的声光污染监测网络系统，对声或光污染进行长期监测。现有声光污染监测，多是短时间的污染测量，测量频次低，无法长期持久地监测声光污染，另外也没有在大范围内组建声光污染监测网络。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于窄带物联网的城市声光污染监测系统，以达到长期持久地监测声光污染，在大范围内组建声光污染监测网络。为此，本发明采用以下技术方案。
一种基于窄带物联网的城市声光污染监测系统，其特征在于，包括大视场角光亮度测量模块（1）、噪声测量模块（2）、电源模块（3）、核心控制器模块（4）、无线通信模块（5）、运营商基站（6）、物联网云平台（7）、客户端软件和移动端网页（8）；
所述大视场角光亮度测量模块包含可以水平和俯仰旋转的全方位云台支架（9）、带有串口通信功能且测量精度不低于一级的光亮度计（10）和紧挨光亮度计的物镜的一组用于扩大测量视场角范围的透镜（11）；增加透镜后的光亮度计测量视场角范围可达60°～80°，其测量结果为视场角内的平均光亮度；
所述噪声测量模块包含测量精度不低于二级的积分式声级计和支架，测量时积分式声级计应固定于支架之上；所述积分式声级由传声器、前置放大器和主机组成；传声器和前置放大器安装于主机头部，可通过滚花螺母从积分式声级计上取下，主机面板上有数字显示屏、指示灯和按键开关，积分式声级计下方底部有外接电源插孔、串口通信接口，背部有电池盒可以安装电池；
所述核心控制器模块包含微控制器、串口接口电路、程序下载接口电路、电平转换电路、复位电路、led指示灯电路和晶振电路；
所述无线通信模块包含nb-iot无线模块、调试串口接口电路、通信串口接口电路、复位电路、led指示灯电路、电平转换电路、usim卡接口电路、射频天线接口电路和软件升级程序下载接口电路；
所述大视场角光亮度测量模块和噪声测量模块在监测区域范围内分布式布置多个监测点，每个监测点的位置都保持固定，实现对区域大范围的声和光污染监测；同时每个监测点可以但不限于每天测量相应数据并通过无线通信模块上传至云平台，实现对声和光污染的长期监测；
所述物联网云平台和运营商基站以及客户端应用软件进行数据通信，客户端软件在物联网云平台上进行注册，获取唯一的标识码，大视场角光亮度测量模块和噪声测量模块测量的数据先经过nb-iot模块发送给运营商基站，再进一步发送给物联网云平台，物联网云平台根据接收到数据的唯一标识信息，将数据转发给对应的客户端软件，物联网云平台也可以接收客户端软件发送的数据，再经运营商基站把数据转发给指定的nb-iot无线通信模块；
所述客户端软件和移动端网页包括服务器、电脑客户端和手机移动端网页；服务器从物联网云平台获取噪声或者光污染测量数据，对数据进行处理并持久化存储在数据库中；电脑客户端软件和移动端网页从服务器数据库中查询获取数据，可以进行历史数据和实时数据的查看及比较，计算噪声和光污染相应指标并绘制声光污染地图。
优选的，所述控制器模块通过nb-iot模块发送的数据帧，包含2字节固定内容的帧头，2字节总长度，总长度不包括帧头和校验部分，1字节数据类型，1字节内容长度，内容长度为数据内容部分的字节数，数据内容为对应声或者光污染的测量值，2字节校验部分，其中多字节数据部分可以是低位字节在前，高位字节在后的格式，帧头部分可以是0xff0xff，校验部分可以是crc校验。
优选的，所述大视场角光亮度测量模块中的全方位云台支架带有rs485串口接口，所述rs485串口接口和核心控制器模块的串口直接相连进行数据通信，根据核心控制器发送的控制指令来控制云台水平或俯仰旋转；光亮度计的串口和核心控制器模块的串口直接相连进行数据通信，接收控制器发送的请求数据，并把测量的光亮度数据发送给控制器；
所述噪声测量模块中的积分式声级计带有串口接口，所述积分式声级计的串口接口和核心控制器模块的串口直接相连进行数据通信，接收控制器发送的请求数据，并把测量的噪声数据发送给控制器；
所述无线通信模块中的nb-iot模块的通信串口和核心控制器模块的串口直接相连，把接收自控制器的数据发送给运营商基站，把接受自运营商基站的数据发送给控制器。
优选的，所述的全方位云台支架采用pelcod协议控制其旋转，全方位云台支架的外径不超过30cm，高度不超过40cm，水平负载大于20kg，垂直负载大于10kg，重量不超过5kg，水平旋转范围330°～360°，俯仰旋转范围不小于±35°，采用24v50/60hz交流电源供电，所述的光亮度计的测量范围是0～1000cd/m²；
所述大视场角光亮度测量模块中的光亮度计和全方位云台支架通过螺丝将二者固定，以保证光亮度计随云台一起旋转；所述的光亮度计和扩大测量视场角的透镜通过螺纹旋转将二者紧固；光亮度计可以通过外接直流电源或者干电池供电；
所述噪声测量模块中的声级计支架高度不低于1m，且高度可调节，声级计可以通过螺丝固定在支架上，可以720°调节声级计朝向；所述的声级计测量频率范围至少包括20hz～12.5khz，测量范围至少包括30db～130db，采用的频率计权至少包括a计权方式；声级计可以通过外接直流电源、干电池或锂电池供电。
所述核心控制器模块中的控制器至少带有3个通信串口，以方便和nb-iot模组、大视场角光亮度测量模块、噪声测量模块、全方位云台支架进行通信；
所述的物联网云平台可以自行搭建或者使用第三方平台；
所述的电源模块以市电作为输入电源，可输出多种电压水平，其输出电源可作为全方位云台支架、光亮度计、噪声测量模块、无线通信模块和核心控制器模块的输入电源使用；
所述客户端软件和移动端网页模块中绘制声或光污染地图所需的地图可以是自制地图或第三方机构提供的地图应用接口；
所述客户端软件和移动端网页模块中的服务器需要外网能够访问，数据库可以是关系型数据库或者非关系型数据库；服务器可以主动请求物联网云平台拉取数据或者物联网云平台主动推送数据给服务器；客户端软件和移动端网页软件架构包括视图层（12）、控制层（13）、模型层（14）和数据库（15），其中用户直接对视图层进行交互操作，控制层接收视图层传递的用户操作输入数据，检查用户输入的合法性，控制用户输入操作，并向模型层发送数据，模型层根据具体的业务流程对数据库执行增、删、改、查操作，模型层计算处理后将结果发送给视图层，显示给用户。
本发明的目的是提供一种基于窄带物联网的城市声光污染监测方法，为此提供以下技术方案。
一种基于窄带物联网的城市声光污染监测方法，其中，在监测区域中设置多个监测点来监测噪声和光污染，根据监测结果来绘制噪声和光污染地图，所述监测点的选择依据功能区域划分来进行设置；
光污染监测时，所述监测点用来测量光亮度；在生活居住区、公共活动区、行政办公区和商业金融区内测量环境亮度，并在各区域内有代表性的至少一幢建筑附近安置大视场角光亮度测量模块监测建筑物泛光照明亮度；测量环境亮度时，所述监测点选在所述监测区域的中心或行人最多的位置，要适合监测设备的安装和运行，同时应避免光源直接照射；测量夜天空环境亮度时，选择所述监测区域中的制高点作为监测点，相邻的监测点距离至少间隔2km，监测点距离地面高度1.5m；测量时间段为每天晚上22:00至次日06:00，每小时测量一次，在每个监测点分别选取东、东南、南、西南、西、西北、北、东北8个方向，每个方向分别选取高度角为0°、30°、60°、90°四个瞄准测量方向，至少连续测量3次来计算该方向视场角内的平均环境亮度；测量建筑物亮度时，选择代表建筑特征的表面，同一代表面上的测量点不少于3点，取测量点亮度的算术平均值作为该建筑的测量亮度；光亮度计将测量数据通过串口发送给控制器，控制器接收到数据后经串口发送给nb-iot无线传输模块，再经运营商基站最终发送至物联网云平台，客户端服务器从物联网云平台获取光亮度测量数据，对同一时刻同一测量方向，取多次测量数据的算术平均值作为该时刻该方向的测量结果；计算视亮度水平评价等级blr，
噪声监测时，在康复疗养区、住宅办公区、商业金融区、工业生产区和城市交通干线区域中选择一个或多个能代表该区域环境噪声水平的监测点定点长期监测，要确保监测点能满足声级计的测量条件，能避开反射面和附近的固定噪声源，监测点应兼顾行政区划分；声级计应固定在支架上，放置声级计时要求监测点距离除地面外任何反射物至少3.5米，距离地面高度1.2米以上，距离路口应大于50米；所述监测点可置于高层建筑上，以扩大监测受声范围；每年每季度至少监测1次，各区域每次监测日期应相对固定，每个监测点每次连续监测24小时，计权方式选择a计权；在无雨雪、无雷电天气、风速5m/s以下的条件下监测，同时要在声级计的传声器上加装防风罩；声级计测量数据依次经过核心控制器、nb-iot无线通信模块、运营商基站、物联网云平台，最终到达客户端服务器，计算每小时等效声级leq、昼间等效声级ld和夜间等效声级ln，昼夜等效声级ldn以及累积百分声级l10、l50、l90；绘制噪声污染地图所选取的指标可以是每小时等效声级leq；对每小时等效声级leq的可能取值范围进行区间划分，不同区间用不同颜色来标记，将各监测点的经纬度信息和监测范围在地图上进行标记，找到各监测点每小时等效声级所属区间范围对应的颜色，在地图上用该颜色填充该监测点的检测范围，绘制该区域的噪声污染地图。
优选的，所述的监测点经纬度数据可以通过专业gps测量仪或者带有gps测量功能的手机等设备获取。
优选的，所述噪声监测点数量根据城市市区常住人口来调整，对于人口数量大于300万的特大城市监测点不少于20个，人口数量在100万～300万之间的大城市监测点不少于15个，人口数量在50万～100万的中等城市监测点不少于10个，人口数量小于50万的小城市监测点不少于7个。
本发明通过采用基于窄带物联网的城市声光污染监测系统及方法，通过光亮度计结合全方位云台以及声级计，利用窄带物联网技术，搭建声光污染监测网络，在区域范围内分布式设置多个监测点来解决城市声光污染大范围长期监测的难题，同时将声光污染监测的结果可视化显示。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构图。
图2为本发明的光污染测量模块结构图。
图3为本发明的控制器模块串口接收声光污染测量数据流程图。
图4为本发明的控制器模块串口接收无线模块数据流程图。
图5为本发明的控制器模块工作流程图。
图6为本发明的客户端软件和移动端网页软件架构图。
图7为本发明的数据帧格式图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加明确突出，下面结合附图对实施方式进行详细说明。
本发明实施例中系统结构如图1所示，一种基于窄带物联网的城市声光污染监测系统，包括大视场角光亮度测量模块1、噪声测量模块2、电源模块3、核心控制器模块4、无线通信模块5、运营商基站6、物联网云平台7、客户端软件和移动端网页模块8。由于声和光污染都具有时空性，对环境的影响不累积、不持久，传播距离也有限，因此，需要在大范围区域内搭建声光污染监测网络对声和光污染进行长期监测。
窄带物联网（nb-iot）是3gpp面向低功耗广域物联网领域的一项无线通信技术标准，工作在授权频谱范围，采用200khz带宽、重复传输、精简网络协议等设计，具有覆盖范围广、功耗低、连接数量大的特点，可以直接部署于电信运营商的移动蜂窝网络。
大视场角光亮度测量模块包含可以水平和俯仰旋转的全方位云台支架9、带有串口通信功能且测量精度不低于一级的光亮度计10和紧挨光亮度计的物镜的一组用于扩大测量视场角范围的透镜11；增加透镜后的光亮度计测量视场角范围可达60°～80°，其测量结果为视场角内的平均光亮度；由于光污染具有一定的方向性，因此光亮度计应固定于全方位云台上，随云台一起水平或俯仰旋转，实现对监测点周围环境光亮度的监测。
噪声测量模块包含测量精度不低于二级的积分式声级计和支架，测量时积分式声级计应固定于支架之上；所述积分式声级由传声器、前置放大器和主机组成；传声器和前置放大器安装于主机头部，可通过滚花螺母从积分式声级计上取下，主机面板上有数字显示屏、指示灯和按键开关，积分式声级计下方底部有外接电源插孔、串口通信接口，背部有电池盒可以安装电池；
核心控制器模块包含支持中断、定时和串口通信功能的微控制器、串口接口电路、程序下载接口电路、电平转换电路、复位电路、led指示灯电路和晶振电路；
无线通信模块包含nb-iot无线模块、调试串口接口电路、通信串口接口电路、复位电路、led指示灯电路、电平转换电路、usim卡接口电路、射频天线接口电路和软件升级程序下载接口电路；
物联网云平台和运营商基站以及客户端应用软件进行数据通信，客户端软件在物联网云平台上进行注册，获取唯一的标识码，大视场角光亮度测量模块和噪声测量模块测量的数据先经过nb-iot模块发送给运营商基站，再进一步发送给物联网云平台，物联网云平台根据接收到数据的唯一标识信息，将数据转发给对应的客户端软件，物联网云平台也可以接收客户端软件发送的数据，再经运营商基站把数据转发给指定的nb-iot无线通信模块；
客户端软件和移动端网页包括服务器、电脑客户端和手机移动端网页；服务器从物联网云平台获取噪声或者光污染测量数据，对数据进行处理并持久化存储在数据库中；电脑客户端软件和移动端网页从服务器数据库中查询获取数据，可以进行历史数据和实时数据的查看及比较，计算噪声和光污染相应指标并绘制声光污染地图。
由于光亮度测量具有一定的方向性，传统的光亮度计10测量视场角范围约在1°～3°，测量周围环境亮度时，需要在测量范围内大量频繁采点，操作繁琐复杂，效率低下，本发明在传统光亮度计的物镜前增加一组透镜11，来扩大测量视场角范围，扩展后其视场角可达60°～80°，可以测量视场角范围内的环境平均光亮度，光亮度计的测量范围是0～1000cd/m²，测量精度不低于一级的亮度计要求，大视场角光亮度测量模块结构图如图2所示。本实施例中的光亮度计带有rs232串口，可以与控制器进行通信，可用干电池或者外接电源对光亮度计供电。同时将光亮度计和全方位云台9结合起来，将光亮度计用螺丝固定在全方位云台上，通过可以水平和俯仰转动的全方位云台实现对周围光环境全方位的监测。
为绘制声或光污染地图，需要在区域范围内设置多个固定监测点来长期监测声或光污染情况，监测点的选择依据功能区域划分来进行设置。
光亮度测量时，在生活居住区、公共活动区、行政办公(工业)区、和商业金融区等区域内测量环境亮度，并在各区域内有代表性的至少一幢建筑附近安置大视场角光亮度测量模块监测建筑物泛光照明亮度。测量环境亮度时，监测点尽量选在该区域的中心或行人最多的位置，要适合监测设备的安装和运行，同时应避免光源直接照射。测量夜天空环境亮度时，选择区域内制高点如楼顶等来安置大视场角光亮度测量模块，相邻的监测点距离至少间隔2km。光亮度计应固定在全方位云台上，随云台一起旋转，测量点距离地面高度1.5m；光亮度测量时间段选择每天晚上22:00至次日06:00，每小时测量一次，在每个监测点分别选取东、东南、南、西南、西、西北、北、东北8个方向，每个方向分别选取高度角为0°、30°、60°、90°四个瞄准测量方向，至少连续测量3次来计算该方向视场角内的平均环境亮度。测量建筑物亮度时，应选择代表建筑特征的表面，同一代表面上的测点不少于3点，取测点亮度的算术平均值作为该建筑的测量亮度。光亮度计将测量数据通过串口发送给控制器，控制器接收到数据后经串口发送给nb-iot无线传输模块，再经运营商基站最终发送至物联网云平台，客户端服务器从物联网云平台获取光亮度测量数据，对同一时刻同一测量方向，取多次测量数据的算术平均值作为该时刻该方向的测量结果。对于建筑物泛光照明亮度，计算《城市环境(装饰)照明规范》(db31/t316—2012)中所述的视亮度水平评价等级blr，
噪声污染测量模块包括声级计和支架，其中声级计的准确度为二级及以上的积分式声级计或噪声统计分析仪。本实施例选择的是awa5636-3型声级计，该声级计测量频率范围为20hz～12.5khz，测量范围为30db～130db，支持a、c、z频率计权方式；声级计带有rs232串口，可以与控制器进行通信，传递噪声测量数据，可用干电池、锂电池或者外接电源对声级计供电。
噪声测量时，对康复疗养区、住宅办公区、商业金融区、工业生产区和城市交通干线等区域选择一个或多个能代表该区域环境噪声水平的测点定点长期监测，要确保监测点能满足声级计的测量条件，能避开反射面和附近的固定噪声源，监测点应兼顾行政区划分。声级计应固定在支架上，放置声级计时要求监测点距离任何反射物(地面除外)至少3.5米，距离地面高度1.2米以上，距离路口应大于50米，必要时可置于高层建筑上，以扩大监测受声范围。每周固定时间进行测量，避开节假日，各区域每次监测日期应相对固定，每个监测点每次连续监测24小时，计权方式选择a计权，要求在无雨雪、无雷电天气、风速5m/s以下的条件下监测，同时要在声级计的传声器上加装防风罩。每5秒测量一次1秒等效a声级测量值leq1，计算每小时等效声级leq，昼间等效声级ld和夜间等效声级ln，昼夜等效a声级ldn以及累积百分声级l10、l50、l90。当测量是采样测量，且采样的时间间隔一定时，规定时间内等效连续a声级用laeq表示，
为绘制声光污染地图，在放置光或者噪声污染监测模块时，利用带有gps功能的设备如手机等获取监测点的经纬度信息并记录，方便后期的应用软件在地图上标注监测点。
核心控制器模块包含支持中断、定时和串口通信等功能的微控制器及串口接口电路，程序下载接口电路，电平转换电路，复位电路，led指示灯电路和晶振电路等，其中微控制器至少带有3个串口接口，本实施例选择stm32l051c8t6微控制器通过rs232串口与光亮度测量模块或噪声测量模块通信，通过rs232串口与无线通信模块（nb-iot）进行通信，通过rs485串口与全方位云台进行通信，通过外接电源对控制器模块进行供电。控制器的工作流程图如图5所示，串口中断接收声或光污染测量数据流程图如图3所示，串口中断接收无线通信模块流程图如图4所示。控制器通过内部定时器定时请求大视场角光亮度测量模块和噪声测量模块获取测量值，通过异步中断方式获取测量数据，在串口中断处理函数中接收声/光污染测量值，并放入接收队列中。控制器对接收队列中的数据处理后，再将数据放入发送队列中。控制器定时检查发送队列是否有数据需要发送，如果有，则通过串口发送数据至窄带物联网无线通信模块，同时接收来自远程服务器发送来的数据，并解析数据，作出相应的响应动作。
本实施例中的电源模块以市电作为输入电源，经开关电源和适配器转换后，可输出直流电源和交流电源，可作为光亮度计、全方位云台、声级计、控制器、nb-iot无线通信模块的输入电源使用。
无线通信模块包含窄带物联网（nb-iot）无线模块，调试串口接口电路，通信串口接口电路，led指示灯电路，电平转换电路，usim卡接口电路，射频天线接口电路，软件升级程序下载接口电路。nb-iot的通信串口和核心控制器模块的串口直接相连，把接收自控制器的数据通过运营商基站发将数据送至物联网云平台，把接受自运营商基站的数据发送给控制器。nb-iot的调试串口可以与电脑串口直接相连，方便调试过程中查看nb-iot模块运行状态和信息。
物联网云平台和运营商基站以及客户端应用软件进行网络通信。客户端软件在物联网云平台上进行注册，获取唯一的标识码。大视场角光亮度测量模块和噪声测量模块测量的数据先经过nb-iot无线模块发送给运营商基站，再进一步发送给物联网云平台，物联网云平台根据接收到数据的唯一标识信息，将数据转发给对应的客户端软件。物联网云平台也可以接收客户端软件发送的数据，再经运营商基站把数据转发给指定的nb-iot模块。
本实施例所述的客户端软件和移动端网页包含外网可以访问的服务器、电脑端运行的桌面客户端软件以及可通过手机浏览器访问的移动端网页。服务器端采用java语言进行开发。服务器可以主动请求物联网云平台获取最新的声或光污染测量数量，当服务器接收到来自物联网云平台的数据后，先对数据进行校验，如果数据内容不完整，则丢弃该数据，反之则把数据存入数据库中，数据库中至少包含存储监测点位置信息和监测范围区域的数据表，声或光污染测量数据、数据类型和测量时间的数据表，本实施例选择mysql关系型数据库来存储测量数据，以便回看历史监测数据和计算相关指标。同时服务器也可以对电脑客户端软件和移动端网页提供web服务。电脑客户端软件采用c#语言进行开发，可以按照日期查看历史或当前的监测数据、计算的相应污染指标和绘制出的污染地图。移动端网页采用html5和css3技术进行开发，软件架构包括视图层12、控制层13、模型层14和数据库15四部分组成，其中用户直接对视图层进行交互操作，控制层接收视图层传递的用户操作输入数据，控制用户输入操作，并向模型层发送数据，模型层根据具体的业务流程对数据库执行增、删、改、查等操作，模型层计算处理后将结果发送给视图层，显示给用户。
绘制声或光污染地图时，本实施例选择第三方地图接口进行软件开发。
绘制光污染地图时，将建筑物视亮度水平和夜天空背景亮度的取值范围分别按照固定长度区间间隔分段，每段分别用不同的颜色表示，先根据监测点的经纬度信息将监测点在地图上标记出来，再对监测点的监测范围用圆形或不规则形状进行标记，绘出监测范围轮廓，然后根据该监测点的实际测量值，取对应区间的颜色，在地图上将该监测区域用对应颜色进行填充。
绘制声污染地图时，计算某一区域的环境噪声平均水平l，
客户端软件可以实时查看各监测点的测量数据，也可以发送指定的控制指令如停止或开启监测等到声或光污染监测模块。为方便用户的查看和管理等操作，本实施例开发移动端网页，用户可以通过手机浏览器访问网页来查看各监测区域的声或光污染地图、相应的计算指标以及发送控制指令等。
控制器模块通过nb-iot模块发送的数据帧，如图7所示，包含2字节固定内容的帧头，2字节总长度，总长度不包括帧头和校验部分，1字节数据类型，1字节内容长度，内容长度为数据内容部分的字节数，数据内容为对应声或者光污染的测量值，2字节校验部分，其中多字节数据部分可以是但不局限于低位字节在前，高位字节在后的格式，帧头部分可以是但不局限于0xff0xff，校验部分可以是但不局限于crc校验。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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