轨道交通环境智能监测平台简略说明书

面向轨道交通场景的多参数环境监测与可视化平台。
当前版本采用 Modbus 串口采集 + Python 本地后端 + Web 前端展示 的实现方式，可在本机完成实时数据接入、历史趋势分析和综合状态展示。

项目简介

本项目围绕轨道交通环境监测场景展开，重点关注多参数环境信息的统一接入、可视化展示与后续扩展能力。平台目前支持对以下指标进行展示与分析：

• 温度
• 湿度
• CO₂
• PM2.5
• PM10
• NH₃
• H₂S
• 人员状态

当前页面分为两部分：

1. 实时总览

用于展示设备当前状态与关键环境指标，包括：

• 设备状态
• 设备编号
• 更新时间
• 主要参数卡片
• CO₂ 趋势图
• 环境综合评分
• 气体指标
• 环境等级标准
• 原始寄存器与运行信息

2. 历史分析

用于展示一段时间内的变化趋势和统计结果，包括：

• CO₂ / PM2.5 / PM10 趋势图
• 温湿度变化图
• 均值、最大值、最小值、预警次数
• 指标统计表
• 评分说明

技术结构

当前版本的软件链路如下：

单片机 → Modbus 串口 → Python 后端 → 本地网页前端

其中：

• 单片机负责采集与寄存器输出
• Python 后端负责串口轮询、寄存器解析与接口提供
• 前端网页负责图表绘制和页面展示

这一结构的优点是实现路径清晰，便于调试，也保留了后续扩展为公网服务的可能。

项目结构

推荐目录结构如下：

1
railenv/
2
├─ backend/
3
│  └─ server.py
4
├─ frontend/
5
│  ├─ index.html
6
│  ├─ style.css
7
│  └─ app.js
8
├─ data/
9
│  ├─ live_data.json
10
│  └─ history_data.json
11
└─ README.md

文件说明

backend/server.py

后端核心文件，负责：

• 启动本地 HTTP 服务
• 建立 Modbus 串口连接
• 周期性读取寄存器
• 将原始寄存器解析为结构化数据
• 维护 latest / history 数据
• 提供前端接口

当前前端主要依赖以下接口：

• /api/latest
• /api/history
• /api/config

frontend/index.html

页面结构文件，定义整体布局与模块分区，包括实时总览页和历史分析页。

frontend/style.css

页面样式文件，负责布局、配色、玻璃质感、卡片样式、图表容器与响应式适配。

frontend/app.js

前端逻辑文件，负责：

• 获取后端接口数据
• 更新页面显示内容
• 渲染图表
• 计算统计摘要
• 控制页面切换与定时刷新

data/live_data.json

保存当前最新一帧数据，便于调试与查看。

data/history_data.json

保存最近一段时间的历史数据，供趋势图与统计模块使用。

数据映射

当前寄存器读取逻辑基于如下映射：

1
0      -> people
2
1      -> co2
3
2      -> pm25
4
3      -> pm10
5
4 ~ 5  -> nh3
6
6 ~ 7  -> h2s
7
8 ~ 9  -> temperature
8
10 ~ 11 -> humidity

其中：

• people / co2 / pm25 / pm10 为直接数值
• nh3 / h2s / temperature / humidity 由双寄存器浮点解析得到

如果后续硬件映射调整，优先修改 backend/server.py 中的寄存器解析部分。

运行方式

依赖安装

建议使用：

1
pip install "pymodbus[serial]"

如果环境中缺少串口依赖，也可以补充安装：

1
pip install pyserial

启动示例

1
python backend/server.py --mode modbus --serial-port COM5 --baudrate 9600 --slave 35 --address 0 --quantity 12

启动后，在浏览器中访问：

1
http://127.0.0.1:8000

图表与展示设置

为了便于比赛展示与页面阅读，当前图表量程采用固定范围：

• 首页 CO₂ 趋势图：0–3000 ppm
• 历史分析页 CO₂：0–3000 ppm
• 历史分析页 PM2.5 / PM10：0–150 μg/m³
• 历史分析页温度：0–40 ℃
• 历史分析页湿度：0–100 %RH

如果后续展示需求变化，可在 frontend/app.js 中调整对应图表的 yAxis 配置。

评分逻辑

当前页面中的综合评分采用 100 分制，主要由以下几部分构成：

• 空气质量：重点参考 CO₂、PM2.5、PM10
• 热湿舒适度：参考温度、湿度偏离程度
• 气体风险：参考 NH₃、H₂S 超阈值情况

当前建议等级划分为：

• 优：90 分及以上
• 良：75–89 分
• 一般：60–74 分
• 预警：60 分以下

评分与状态映射逻辑位于 backend/server.py 中，后续若有需要，可根据实验数据或展示需求继续调整。

页面修改建议

如果需要继续调整页面，通常可按以下分工定位：

改文字、模块结构

修改：

• frontend/index.html

改布局、对齐、风格、颜色、玻璃效果

修改：

• frontend/style.css

改图表、统计逻辑、页面刷新方式

修改：

• frontend/app.js

改串口参数、寄存器映射、浮点解析、评分规则、接口

修改：

• backend/server.py

扩展方向

当前代码结构已经具备继续扩展的基础，后续可以从以下方向延伸：

1. 数据分析与预测

如果需要增加回归模型、趋势预测或预警判断，最合适的入口是后端。
建议在 backend/server.py 中基于 history 数据新增预测函数，再通过接口返回给前端展示。

例如可扩展：

• CO₂ 变化趋势预测
• 环境状态预判
• 预警提前提示

当前最自然的扩展位置在评分与状态相关逻辑附近，例如：

• compute_score(...)
• compute_status(...)
• infer_scene(...)

2. 多设备展示

如果后续需要支持多个监测节点，可以在后端增加设备编号维度，在前端增加设备切换或多设备对比页面。

3. 公网部署

如果后续需要将本地页面扩展为可公开访问的网站，最可行的路径是：

保留当前前端结构不变，将后端部署到服务器，并把本地采集结果同步到云端后端。

也就是说：

当前： Modbus → 本地 Python → 本地网页

后续： Modbus / 本地采集端 → 云端 Python 后端 → 公网网页

这样可以最大程度复用已有前端页面与接口设计，而不需要从头重做。

说明

当前版本的重点在于：

• 真实数据接入
• 本地稳定运行
• 页面展示完整
• 结构清晰，便于后续迭代

因此，这一版本更强调“可运行、可展示、可扩展”的平衡，而不是追求过重的系统架构。后续无论是继续优化前端，还是增加分析模块，均可以在现有基础上平滑推进。