以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的大氣環(huán)境PM2.5實時監(jiān)測系統(tǒng)

魏晨輝

立足整個大氣環(huán)境，針對大氣顆粒物存在指標(biāo)，主要通過對吸入顆粒物（PM2.5）的實時監(jiān)測實現(xiàn)的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對PM2.5濃度檢測系統(tǒng)應(yīng)時而出，主要依托光散射法的PM2.5傳感器，實現(xiàn)對大氣中PM2.5濃度值的確定。在信息技術(shù)的支持下，傳感器與無線路由器實現(xiàn)連接，同時，加之移動網(wǎng)絡(luò)的支持，路由器與遠(yuǎn)程嵌入式ARM-Linux服務(wù)器發(fā)生關(guān)聯(lián)，在服務(wù)器模式的應(yīng)用下，強(qiáng)化計算機(jī)與移動設(shè)備實時數(shù)據(jù)的查詢。這一系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，能夠在有效縮短巡檢時間，組織行為自動生成，同時，設(shè)置多個巡檢節(jié)點，靈敏度較高。鑒于此，要基于物聯(lián)網(wǎng)，對這種實時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行全面探討。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 大氣環(huán)境 PM2.5 實時監(jiān)測系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大氣環(huán)境污染問題十分突出，尤其是大氣細(xì)顆粒物PM2.5污染問題十分嚴(yán)重，對民眾身心健康產(chǎn)生負(fù)面影響。鑒于此，大氣環(huán)境污染治理工作受到整個社會的關(guān)注。目前，針對PM2.5的檢測方法較多，光散設(shè)法適用性更廣，不需要過多物理參數(shù)支持，能夠?qū)崿F(xiàn)對顆粒分布和速度的有效測量，成為顆粒物檢測儀的發(fā)展方向。立足當(dāng)前移動通信網(wǎng)絡(luò)特征，基于物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建針對PM2.5的實時檢測系統(tǒng)，借助光散射法施行對PM2.5濃度信息的采集，借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)給嵌入服務(wù)器功能，實現(xiàn)對PM2.5信息的迅速、準(zhǔn)確的獲取。

1 基于專業(yè)角度對監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計方案的概述

在整個系統(tǒng)中，主要涉及五個組成部分，即傳感器、路由器、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器以及客戶端。檢測點是多個PM2.5灰塵傳感器，目的是實現(xiàn)對顆粒濃度的明確。借助對多個節(jié)點數(shù)據(jù)的檢測，發(fā)揮數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的作用，傳至路由器，在3G模塊支持下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心的傳遞。監(jiān)測中心的嵌入式服務(wù)器能夠借助遠(yuǎn)程模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。另外，在整個系統(tǒng)中，客戶端分為計算機(jī)以及手機(jī)，采用不同的支持系統(tǒng)。

2 詳細(xì)介紹監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

2.1 對傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)的分析

在傳感器節(jié)點中，主要是由PM2.5傳感器、TM4C123G模塊、CC3000模塊以及電源部分組成。傳感器的作用是將經(jīng)過散射后的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，借助?nèi)置運算放大器將電信號改變?yōu)殡妷?。TM4C123G單片機(jī)內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器，作用是將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，借助傳感器特性參數(shù)實現(xiàn)對PM2.5濃度的核算。針對獲取的數(shù)據(jù)，通過CC3000傳遞至網(wǎng)絡(luò)路由器。

2.2 網(wǎng)絡(luò)路由器結(jié)構(gòu)組成

對于網(wǎng)絡(luò)路由器，其主要構(gòu)成部分包含傳感器以及服務(wù)器的中轉(zhuǎn)站，發(fā)揮對網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的管理，實現(xiàn)地址的分配以及數(shù)據(jù)的接收任務(wù)，與此同時，借助移動通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程的嵌入式服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)路由器通常由三種模塊構(gòu)成，即BB-Black模塊、Wilink8 Cape模塊以及EM770W模塊，有效完成數(shù)據(jù)的傳輸與控制，支持系統(tǒng)調(diào)試與輸出，達(dá)到數(shù)據(jù)通信的目的。

2.3 服務(wù)器終端功能的實現(xiàn)

整個系統(tǒng)的服務(wù)器類型基于Linux操作系統(tǒng)管理而成，主要作用是與EM770W模塊進(jìn)行通信，同時，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理與控制，滿足客戶端的請求，強(qiáng)化處理的有效性。在EM770W的支持下，服務(wù)器借助串口對其進(jìn)行訪問，同時對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，編碼處理之后將其存入嵌入式數(shù)據(jù)庫?？蛻舳送ㄟ^相關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行PM2.5時空參數(shù)的查詢，同時，借助C/S實現(xiàn)對數(shù)據(jù)請求的反饋。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計探討

3.1 系統(tǒng)節(jié)點軟件分析

對于傳感器節(jié)點，其主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及傳輸，通過TM4C123G負(fù)責(zé)這一作用的實現(xiàn)。在完成初始化之后，單片機(jī)進(jìn)入主循環(huán)系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)相關(guān)請求進(jìn)行處理，迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 對網(wǎng)絡(luò)路由器工作原理的分析

網(wǎng)絡(luò)路由器設(shè)計的基礎(chǔ)為BB-Black，結(jié)合說明文檔生成可執(zhí)行文件，強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)條件下的模式，借助其向測量節(jié)點分配IP地址。傳感器節(jié)點將檢測數(shù)據(jù)傳遞給BB-Black模塊。數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)量之后，對其進(jìn)行打包處理，而后通過AT命令控制模塊將數(shù)據(jù)傳達(dá)給服務(wù)器。

3.3 針對服務(wù)器軟件的設(shè)計

在服務(wù)器中，主要包含數(shù)據(jù)庫管理以及相關(guān)模塊。服務(wù)器軟件使用Qt語言進(jìn)行編寫，一旦模塊接收到信息，軟件串口接收區(qū)會對接收到的信息進(jìn)行顯示，信息被提取之后，存入數(shù)據(jù)庫，同時在軟件中呈現(xiàn)。服務(wù)器被啟動之后，達(dá)到對接收端口的監(jiān)聽，一旦接收到客戶端連接請求，服務(wù)器會啟動線程對客戶端提出的查詢請求進(jìn)行處理。線程的功能是進(jìn)行客戶端請求的查詢，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，找到目的數(shù)據(jù)，同時通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。

3.4 對不同客戶端設(shè)計的分析

客戶端設(shè)計包含兩個方面，即計算機(jī)軟件以及手機(jī)軟件兩種，采取相應(yīng)的Qt和Java語言進(jìn)行可定查詢軟件的查詢。兩種客戶端設(shè)計都要進(jìn)行服務(wù)器IP地址、端口號的設(shè)置，結(jié)合需要進(jìn)行查詢地址的選擇。在登錄之后，發(fā)送連接服務(wù)器，成功后會將信息顯示在相應(yīng)的屏幕之上，PM2.5的數(shù)值會自動更新。

4 測試結(jié)論分析

通過監(jiān)測，強(qiáng)化對不同測量點數(shù)據(jù)的模擬與檢測，同時，與當(dāng)天權(quán)威的中國環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，整個監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效測量模擬器的PM2.5的濃度值，明確時間區(qū)間，強(qiáng)大對空氣指數(shù)與空氣質(zhì)量狀況的提示，達(dá)到實時獲取網(wǎng)絡(luò)平臺濃度值的目的。

5 結(jié)束語

綜上，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)揮光散射PM2.5傳感器以及相關(guān)嵌入技術(shù)的優(yōu)勢，積極構(gòu)建多節(jié)點PM2.5的大氣環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，借助移動網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。在這種系統(tǒng)的支持下，有效降低人工干預(yù)的影響，發(fā)揮移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，可靠性更強(qiáng)，達(dá)到監(jiān)測點的合理選擇?；诖耍喾N客戶終端能夠在線查詢PM2.5的濃度參數(shù)。通過全面性的研究發(fā)現(xiàn)，這一監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定性突出，能夠達(dá)到對濃度值的實時監(jiān)控，成本不高，因此，極具推廣價值，在根本上有效發(fā)揮對環(huán)境監(jiān)測的支持作用。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 甘肅省蘭州市 730000