基于Node- RED 的基建现场微气象监测与告警系统设计与实现

李瑞喜，何 锐，辛卫东，张 博

（北京洛斯达科技发展有限公司，北京）

引言

随着工业自动化和物联网（Internet of Things, IoT）技术的发展，现代工业对数据流的处理、集成和可视化提出了新的需求。电网工程建设，特别是中、大型输变电工程的建设管理正在向智能化、自动化、精细化方向发展。IoT 技术作为信息技术的一个重要发展方向，给人类生活和生产活动带来了深远的影响，应用智能化设备辅助进行基建现场各类指标及状态识别、定位、追踪、监控和管理也已成为基建现场管理的重要手段[1-2]。将IoT 技术应用于电力行业中，利用部署在工程现场内的大量节点，感知、采集、分析各种监测对象信息，能够满足智能化电网发电、输电、变电、配电、用电等重要环节上信息获取的实时性、准确性、全面性等需求，全面提升电网生产、服务、管理的感知能力。然而，在输变电工程基建现场感知层建设及应用过程中，由于不同厂商、不同类别以及不同规格的设备当前没有一个统一的数据对接规范，各设备厂商根据自己的产品特点和技术基础，研发了不同的对接方式。这不仅增加了整合不同设备的难度，导致设备与应用平台之间的对接工作异常繁复和耗时，无法快速进行部署应用，而且还可能造成数据丢失或不一致的风险。

Node-RED 是一个基于流的低代码开发工具，最初由Nick O’Leary 和Dave Conway-Jones 于2013 年在IBM 的新兴技术服务团队中开发并发起的一个开源项目，现已归属于OpenJS 基金会。Node-RED 包含了一个基于Node.js 构建的轻量级的运行时，充分利用了其事件驱动、非阻塞的模型，使其非常适合在网络边缘的低成本硬件上运行，可用于将各类硬件设备、应用程序接口和在线服务连接在一起，因而被广泛应用于工业物联网[3-4]、工业自动化[5-6]、监测预警[7-8]以及智能家居[9-10]等领域。Node-RED 的核心特点是其基于流的编程模型，Node-RED 提供了一个基于Web 浏览器的流编辑器，通过图形化的用户界面，用户可以直观地将不同的功能块（称为“节点”）通过连线组合，从而定义数据流和逻辑。每个节点代表一个特定的功能或操作。通过连线，数据和消息可以从一个节点流向另一个节点，形成完整的数据处理和逻辑链。

由于其灵活性和易用性，Node-RED 被广泛应用于快速原型设计、系统集成以及物联网项目中，为开发者提供了一个灵活、轻量而功能强大的工具来构建复杂的网络应用。它允许用户通过可视化的拖放界面来设计数据流，实现各种硬件和服务之间的无缝集成。其背后的逻辑结构清晰，界面友好，使得即使是非专业的技术人员也能快速上手。采用Node-RED 搭建中间服务，意味着企业或开发者可以在短时间内搭建一个用于设备对接的桥梁。这样的桥梁不仅仅是连接设备的通道，更是一种数据的“翻译器”，确保不同设备产生的数据能够被正确、高效地处理和转发。这大大简化了设备集成的复杂性，并提高了数据对接的稳定性和效率。

1 微气象监测设备

微气象监测仪是一种用于监测小范围内微气象指标的小型环境监测设备，通常由风速传感器、风向传感器、噪声传感器以及温湿度传感器等一系列用于监测特定气象指标的传感设备组成（如图1 所示）。与大型气象站设备相比，这些传感器通常更小、更便携，能够提供精确的本地化气象数据。常用于农业监测、环境监测、城市规划以及基建现场等多种应用场景中。除各类特定用途的传感器外，微气象监测仪通常还包含数据采集器、无线传输系统、后台数据处理系统及信息监控管理平台等软硬件模块。由于其便携性和相对较低的成本，使得其适用更多的现场环境及应用场景，能够实现更广泛和密集的气象监测，从而为现场环境监测管理提供更准确和及时的数据支持。

图1 微气象监测仪部分传感器

在本研究中所采用的微气象监测仪能够监测PM2.5、PM10、噪声、温度、湿度、风速、风向、气压以及总悬浮颗粒（Total Suspended Particles, TSP）等指标（具体参数如表1 所示），支持RS485，4G，以太网等通讯方式，可实现24 h 实时在线监测。

表1 微气象设备属性列表

2 总体技术方案

本研究中的微气象监测仪支持MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议，MQTT 是一个轻量级的发布/订阅型消息传输协议，专门设计用于低带宽、高延迟或不稳定的网络环境，广泛应用于IoT 领域。如图2 所示，基于Node-RED 的基建现场微气象监测与告警系统主要由消息发布者、MQTT 服务器以及消息订阅者三部分组成。

图2 基于Node-RED 的微气象监测预警平台总体架构

消息的发布者，即微气象监测仪，通过各类传感器可以监测空气颗粒度、噪声、温湿度、风速风向等指标。借助DTU (Data Terminal Unit)模块，通过4G 或以太网等通讯方式将数据从MQTT 客户端发送至云端的MQTT 服务器中。

MQTT 服务器，通常称为MQTT Broker，在MQTT的发布/订阅模型中，扮演着中心角色，主要用于管理客户端之间的消息传递。本研究使用RabbitMQ 做为MQTT 服务器。RabbitMQ 是一个开源的消息代理和队列服务器，可用于通过异步消息传递来促进各种系统之间的通信和互操作。基于AMQP（高级消息队列协议）设计，RabbitMQ 支持多种消息传递模型，包括发布/订阅、请求/响应和点对点。提供了一个高可用性、可扩展性和可靠性的解决方案。

消息的订阅者，即基建现场微气象监测与告警服务。我们在Node-RED 中构建了MQTT 客户端，订阅特定主题并接收来自MQTT 服务器的数据。Node-RED 服务接收到数据后，通过自动执行预设的处置策略，根据现场的需求，可以将原始数据转换并转发至物联管理平台进行持久化以支撑后续应用，或者将告警数据及通知消息推送到大屏端、Web 端以及移动端等业务平台进行可视化展示及应用，还可以通过短信、邮件以及触发现场的声光告警装置等方式就地进行告警。

3 监测与告警服务设计与实现

如图3 所示，微气象监测与告警服务在Node-RED提供的通用方法、函数、网络、解析、序列以及存储等核心组件及功能特性基础上，利用可视化的流程编辑器，基于具体业务逻辑，将各类功能节点通过关联关系组织起来，形成了面向基建现场微气象监测与告警的处理流程。创建好的流程可以直接在Node-RED 平台中“一键”完成部署。该服务能够通过订阅相关MQTT 主题，实时监测PM2.5、温湿度、风速风向等微气象指标，并通过自动执行预设的处置策略，将数据推送至相关平台或者就地进行告警。

图3 基于Node-RED 的微气象监测与告警服务

3.1 数据订阅与接收

Node-RED 监测与告警服务流程如图4 所示，流程入口是一个“MQTT IN”类型的Node-RED 节点，此节点主要用于连接到MQTT 服务器并订阅来自指定主题的消息。通过在全局配置节点中定义MQTT 服务器信息可以实现全局共享与复用，通过设置节点订阅的主题（Topic）信息，可以接收来自特定产品或设备的属性及事件数据。

图4 Node-RED 监测与告警服务流程

3.2 数据转换与转发

在本研究中，接收到设备推送数据后，需要转发至物联管理平台进行持久化处理。由于微气象设备和物联管理平台定义的数据结构、字段名称有所不同，无法直接进行数据转发。因此需要首先定义一个数据格式转换函数节点，通过JavaScript 脚本将接收到的原始数据转换成物联管理平台要求的数据格式并构造成标准的MQTT 请求格式，然后再通过“MQTT OUT”类型的节点（此节点主要用于连接到MQTT 服务器并向其发布消息）进行数据转发。

3.3 数据监测与分析

由于针对微气象各项监测指标的判断及处理逻辑有所不同，因此需要对各指标进行独立分析，通过添加“SPLIT”类型的节点，可以按照设备或指标类型将一条消息拆分为多条消息，将各设备、指标的数据分别发送给对应监测分析函数节点。监测分析函数中定义了具体的判定阈值以及告警判断的业务逻辑，通过分析，决定是否满足告警条件，满足告警条件即按照预设输出模板格式，将告警数据推送给下一个节点。

3.4 告警处置与闭环

监测分析完成后，需要将告警数据推送至相关业务平台，或者以短信通知、大屏显示、声光告警等方式就地进行告警。上述方式主要通过使用“HTTP REQUEST”类型节点（该节点主要用于发送HTTP 请求并返回响应）完成，通过构造HTTP 请求，直接调用相关平台的API，完成告警数据处置。以大屏显示为例，Node-RED 服务生成告警后，按照大屏端接口要求，将告警数据推送至大屏端，并显示在项目部的监控大屏中。

4 结论

通过本研究，我们设计并实现了一种基于Node-RED 的基建现场微气象监测与告警系统。该系统有效地解决了输变电工程基建现场微气象设备应用中的数据对接问题，能够为相关业务平台及应用提供实时、准确的微气象数据，进而实现了高效的监测与告警。Node-RED 的流式编程模型为系统提供了高度的灵活性和扩展性，使得设备接入、数据处理和告警策略的实施都变得简单且高效。此外，该系统不仅为基建现场提供了即时的气象数据，还通过自动执行预设的处置策略，保障了现场工作的安全性，进而显著提高了工程效率。基于Node-RED 的基建现场微气象监测与告警系统为推动基建领域的数字化、智能化转型做出了有益的探索，为相关领域提供了一个值得参考的解决方案。