基于分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

徐利謀　黃長遠(yuǎn)

摘要：針對空氣監(jiān)測面臨的網(wǎng)絡(luò)布線困難、成本高和實時性差的問題，文章提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)架構(gòu)、硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了空氣質(zhì)量分布式監(jiān)測、數(shù)據(jù)無線傳輸和智能化分析。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；傳感器；空氣質(zhì)量監(jiān)控

國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展對環(huán)境的透支使得環(huán)境問題突出，嚴(yán)重的霧霾每年席卷京津冀地區(qū)，給人們正常生產(chǎn)和生活帶來影響，急需行之有效的應(yīng)對措施來解決空氣污染問題。傳統(tǒng)定點巡檢和定點感知器監(jiān)測的空氣污染物監(jiān)測方式無法獲取實時數(shù)據(jù)，己不能滿足空氣質(zhì)量監(jiān)測需要，構(gòu)建能對空氣質(zhì)量實時采集和分析的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成為亟待解決的問題。文章在掌握傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，在空氣質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域開展了較為細(xì)致研究，提出了基于分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。

1.系統(tǒng)架構(gòu)

基于分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)涵蓋數(shù)據(jù)監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)傳輸模塊和監(jiān)控中心3個功能模塊，主要架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)工作過程如下：分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的氣體、溫濕度、氣壓傳感器將獲取到有關(guān)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采用ZigBee技術(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸模塊，GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將匯集到的空氣信息發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后作出應(yīng)急響應(yīng)。

數(shù)據(jù)監(jiān)測終端布置在重點監(jiān)測區(qū)域，通過各類傳感器獲取空氣數(shù)據(jù)信息，將獲取到的信息進(jìn)行整理、分析和打包后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)測中心。

數(shù)據(jù)傳輸模塊中收到監(jiān)測終端傳輸?shù)目諝庑畔⒑螅褂脽o線傳輸協(xié)議將信息打包，使用ZigBee，GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)，通過各種網(wǎng)關(guān)和路由使監(jiān)測終端獲取的氣體污染物、溫濕度、氣壓等信息及時傳送到監(jiān)控中心。

監(jiān)控中心通過數(shù)據(jù)傳輸模塊與監(jiān)測終端進(jìn)行雙向通信收發(fā)空氣質(zhì)量信息，各監(jiān)測終端獲取的空氣信息經(jīng)處理后添加到SQL Server數(shù)據(jù)庫，并通過可視化界面和Web網(wǎng)頁瀏覽模式提供給相關(guān)部門及其他用戶。

2.系統(tǒng)設(shè)計

2.1監(jiān)測終端

監(jiān)測終端主要由氣體、溫濕度、氣壓采集模塊、設(shè)備控制模塊、ZigBee傳輸模塊、存儲模塊和電源模塊組成。監(jiān)測終端采用低成本的8位AVR單片機，軟件系統(tǒng)的設(shè)計在ICCAVR上進(jìn)行開發(fā)，終端系統(tǒng)采用ATMEL公司的ATMEGA128芯片作為CPU處理器，使用Chipcon公司的CC2420模塊作為收發(fā)數(shù)據(jù)的ZigBee通信模塊。氣體傳感器采用可高精度監(jiān)測CO，SO2、氮氧化合物等污染氣體濃度的瑞士MEMBRAPOR生產(chǎn)的NOz/C-1，O3/C-5，NO/C-1，SO2/C-1，CO/CF-200等高精度傳感器設(shè)備。溫度、濕度傳感器采用瑞士盛世瑞恩公司生產(chǎn)的SHT1X系列產(chǎn)品。氣壓傳感器采用芬蘭VTL公司生產(chǎn)的SCP1000-D1數(shù)字傳感器。

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊由ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)兩部分構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)完成監(jiān)控終端和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)交換。

（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分。該部分由網(wǎng)絡(luò)終端、路由器和協(xié)調(diào)器3個節(jié)點組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制核心采用ATmega328P單片機，實現(xiàn)對終端節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理。各類氣體傳感器使用RS485接口通過集線器設(shè)備與微處理器相互連通，構(gòu)建了鏈路簡單、傳輸高效的通信網(wǎng)絡(luò)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點中，傳感器通過RS-485串行通信接口與微處理器組成通信網(wǎng)絡(luò)，該通信網(wǎng)絡(luò)具有鏈路簡單、傳輸高效的特點。無線射頻模塊集成了單片機控制和無線編碼，與ATmega328單片機通過異步串行口連接，完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。串行時鐘芯片嵌入到單片機中，具有實時時鐘、日歷和RAM，可以根據(jù)控制指令完成不同的功能。（2）GPRS網(wǎng)絡(luò)部分。GPRS網(wǎng)絡(luò)部分主要由SIM900A、ATmega328P單片機、EEPROM芯片和電源模塊組成。GPRS模塊選用的是芯訊通無線科技有限公司生產(chǎn)的雙頻SIM900A模塊，SIM900A是一款尺寸緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求，可以內(nèi)置應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜。EEPROM芯片即插即用，用來存放硬件設(shè)置數(shù)據(jù)。

2.3監(jiān)控中心

監(jiān)測中心的軟件系統(tǒng)主要由通信模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和主界面模塊4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。監(jiān)控中心采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用Java語言、SQL Server和Socket開發(fā)，具備主界面管理、系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理、數(shù)據(jù)通信、監(jiān)測點信息、系統(tǒng)日志、報表查詢、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)、退出等功能。監(jiān)測中心的軟件設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的完整性，同時兼顧系統(tǒng)將來的可擴展性、可靠性和兼容性。

3.結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)空氣質(zhì)量監(jiān)測中網(wǎng)絡(luò)布線成本高、數(shù)據(jù)獲取實時性差等問題，開展基于分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計。系統(tǒng)通過無線傳輸?shù)男问将@取分布在不同區(qū)域的傳感器節(jié)點氣體、溫濕度、氣壓等信息，經(jīng)過分析后獲知空氣污染狀況和主要污染物，為空氣質(zhì)量監(jiān)測部門提供重要依據(jù)，具有工作時間長、成本低的特點。經(jīng)過現(xiàn)場測試，系統(tǒng)各項指標(biāo)運行正常，基本滿足預(yù)定范圍內(nèi)控制質(zhì)量監(jiān)測的需要。