一种环境噪声在线监测与评价系统架构

1系统概述

2011年6月30日，京沪高速铁路正式通车运营，亿万民众的目光再次聚集到高速铁路上来，同时，高速鐵路的建设和运营给民众的出行带来了巨大的便利，但是高铁产生的噪声对附近居民的影响也应当引起我们的重视。 针对以上问题，对高铁运行区域内的特定小区噪声的变化进行定期跟踪和监控，将噪声数据进行统计分析，把握噪声变化的趋势，以及时有效地采取具有针对性的噪声预防措施，对噪声的治理具有积极意义。

本系统为基于物联网与大数据信息技术构建的物联网应用系统。系统设计围绕《环境噪声在线监测与评价系统项目-需求规格说明书》和《中华人民共和国国家环境保护标准-环境噪声自动监测系统技术要求》开展，并遵循可扩展性原则、健壮原则、安全原则等物联网体系架构设计的基本原则。

1.1 性能要求

（1） 支持100个用户并发。

（2） 支持500台采集终端，2000个采集单元同时在线。

（3） 消息处理约5200万条/天的数据上行，平均处理消息数约600条/秒。

（4） 单个页面访问加载数据不超过3s。

1.2安全要求

（1） 数据安全

①数据节点无单点故障，数据可恢复。

②数据访问有认证或授权机制。

③网关数据安全，确保不丢数据。

（2）应用安全

实现身份认证，并基于用户的权限分配和数据隔离;对用户的操作日志进行详细记录、日志审计。

2 技术选型与架构

从总体业务业务场景分析，该系统技术架构分为边缘层、网关与平台层、接口层以及应用层，技术架构明细见图2-1。

（1）边缘层包含DaqDevice驱动、MQTT-Client、以及numpy等python计算组件与C动态库，实现数据采集与边缘计算，以及数据传输等。

（2）平台层部署MQTT代理、缓存、mongodb集群等，实现回传数据的解析、缓存、入库以及离线/实时计算、指令下行通道等功能，并为接口层提供数据基础。另为保障平台的稳定性，采用Ngnix实现负载均衡，采用keepalived实现服务端数据接收双活，保证平台接入能力。

（3）接口层采用Python Tornado实现Restful API接口服务，给应用层提供具体的数据查询接口与指令下行接口。

（4）应用层采用thinkphp框架实现，并使用echarts完成数据可视化，满足客户侧用户数据展示与分析需求以及管理用户的管理需求。

3数据运行架构

（1） 上行数据运行架构：

上行数据通过互联网由采集终端回传至数据平台完成持久化，采用消息订阅与发布模式（MQTT）实现。

为确保数据不丢失或平台异常时数可恢复，流入网关数据进行日志记录，为保障网关效率，以及满足实时监测需求，解析后数据存入内存数据库（redis）中。

数据流向及存储如下图：

（2） 下行数据运行架构

数据下行即指令下发，控制数据采集终端实现程序及参数配置文件的更新，下行指令采用消息与订阅模式实现。

用户从管理后台发起指令，通过调用指令下行接口生成参数配置文件，并调用指令服务，发布指令消息，采集终端订阅消息执行指令，从服务器下载最新程序及参数配置文件。

指令执行流程及数据与文件存储如下图：

4总结

经测试，该系统能够达到100用户并发和2000个采集单元同时在线的性能要求，各采集单元的有效采集率在95%以上，数据安全和应用安全方面也达到了相关要求，系统能够运行良好。

简介：刘亮，长沙民政职业技术学院，讲师，研究生，硕士，研究方向：大数据分析与处理。