基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)*

史姣姣，張澤勝

（杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

近年來，工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的高速發(fā)展，使得微顆粒排放物進入大氣的比例呈逐年上升趨勢，PM2.5污染已凸顯為重大的環(huán)境問題[1]。人們對PM2.5的關(guān)注度不斷增加，準確實時的PM2.5監(jiān)測迫在眉睫。傳統(tǒng)商用型PM2.5檢測儀可操作性強，功能齊全且精確度高，通常適用于國家氣象部門在大范圍區(qū)域的監(jiān)測，但是存在著便攜性不佳、造價高和安裝復(fù)雜等弊端[2]，影響其在普通用戶中使用的可行性。當前的空氣質(zhì)量檢測儀主要是對環(huán)境的PM2.5、溫度和濕度進行單點檢測，監(jiān)測區(qū)域覆蓋不夠廣泛，無法滿足對空氣質(zhì)量進行多點實時監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)分析的監(jiān)測要求[3]。因此，用戶所處小范圍區(qū)域PM2.5的實時監(jiān)測顯得尤為重要。本文針對小范圍區(qū)域多樣點的空氣質(zhì)量實時監(jiān)測需求應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過信息傳感設(shè)備實時采集需要監(jiān)控的空氣質(zhì)量信息，然后與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成一個完整的網(wǎng)絡(luò)映射，搭建人與物、物與網(wǎng)絡(luò)的連接平臺，從而實現(xiàn)人們對空氣質(zhì)量實時的遠程識別、管理和控制。本文研究設(shè)計了基于校園環(huán)境的PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、多功能PM2.5檢測裝置的結(jié)構(gòu)框架、PM2.5在線監(jiān)測平臺的功能設(shè)計和PM2.5可視化的方法等。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

為方便用戶實時遠程監(jiān)測所處局部區(qū)域的空氣質(zhì)量狀況，本文提供一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的PM2.5實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。以杭州電子科技大學為研究地點，設(shè)計制作多個PM2.5檢測裝置，以開源硬件Arduino為核心，采用灰塵傳感器、溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集[4]，在LCD液晶屏上實時顯示當前環(huán)境的檢測數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳到PM2.5在線監(jiān)測平臺，從而實現(xiàn)用戶在App端和網(wǎng)頁客戶端實時遠程查看校園各監(jiān)測點近期的空氣質(zhì)量和溫濕度數(shù)據(jù)趨勢圖，并根據(jù)趨勢圖的分析結(jié)果，合理安排自己的戶外活動、健身運動等。系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分組成[5]，整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

感知層。設(shè)計制作多功能PM2.5檢測裝置，根據(jù)地域權(quán)重，將PM2.5檢測裝置部署在校園的宿舍樓、食堂、圖書館、操場和教學樓等區(qū)域，完成對溫度、濕度和PM2.5指數(shù)的數(shù)據(jù)采集處理，為校園空氣質(zhì)量狀況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？紤]數(shù)據(jù)實時性的要求，數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定精度為秒。

網(wǎng)絡(luò)層。負責將采集到的數(shù)據(jù)迅速可靠地傳輸?shù)絇M2.5在線監(jiān)測平臺。考慮到數(shù)據(jù)實時性、傳輸安全性的要求，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議。作為一種長連接的設(shè)計，它能夠保證傳輸?shù)目煽啃裕瑫r傳輸大量的數(shù)據(jù)[6]。

應(yīng)用層。PM2.5在線監(jiān)測平臺負責用戶的應(yīng)用，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳輸至VB服務(wù)端進行數(shù)據(jù)格式化處理，即對數(shù)據(jù)進行校驗和清洗，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。?shù)據(jù)格式化后，存儲至服務(wù)端后臺MySQL數(shù)據(jù)庫，再通過架設(shè)Web服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計、分析及趨勢圖顯示，為用戶提供統(tǒng)一的平臺應(yīng)用入口，即安卓App客戶端和網(wǎng)頁端?？蛻舳擞糜谙蛴脩艉凸芾砣藛T實時發(fā)布監(jiān)測信息，實現(xiàn)空氣質(zhì)量指數(shù)的實時/歷史數(shù)據(jù)查詢、自動/手動刷新和共享到第三平臺的功能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)用戶對所處環(huán)境PM2.5指數(shù)、溫度和濕度的實時檢測和顯示，系統(tǒng)硬件主要實現(xiàn)多功能PM2.5檢測裝置的設(shè)計制作。多功能PM2.5檢測裝置以嵌入式Arduino處理器為核心，利用其性價比高、代碼開源和可拓展性強等優(yōu)勢，構(gòu)成了一個嵌入式平臺，集成PM2.5指數(shù)、溫度和濕度參數(shù)采集處理、網(wǎng)絡(luò)通信、LCD液晶屏顯示和數(shù)據(jù)存儲等多個單元模塊。設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

主要采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的PM2.5濃度、溫度和濕度信息，然后將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號?？諝赓|(zhì)量的精確采集判斷非常重要，這里采用高精度的夏普GP2Y1010AUOF灰塵傳感器，其測量方法是基于光散射原理實現(xiàn)的，如圖3所示。在檢測范圍內(nèi)，利用顆粒物與激光發(fā)生散射作用，將散射后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后灰塵傳感器內(nèi)置運算放大器將微弱電信號轉(zhuǎn)換為0～5 V輸出的電壓。Arduino單片機內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[7]。Arduino內(nèi)置程序通過發(fā)出PWM波驅(qū)動微型風扇，在電路中調(diào)整合適的風速保證灰塵傳感器內(nèi)部的空氣流通，以提高采樣數(shù)據(jù)的精確度。為了保證檢測裝置工作的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器檢測環(huán)境的溫度和濕度，并輸出已校準的數(shù)字信號。

圖3 灰塵傳感器內(nèi)部原理

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

處理單元主要負責處理和存儲各傳感器采集的數(shù)據(jù)。本設(shè)計采用Arduino處理器，處理控制單元主要采集各傳感器經(jīng)變送單元輸出的電壓、電流信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得出對應(yīng)的數(shù)字信號[8]。采集到的PM2.5指數(shù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)，一方面顯示在LCD12864液晶屏上，另一方面采用SD存儲卡以文本格式平均每30 s自動更新存儲。需要說明的是，存儲的采樣數(shù)據(jù)為單位時間內(nèi)多次采樣的平均值，實時顯示的PM2.5指數(shù)保留小數(shù)點后兩位。

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633-2012）和（《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》（GB3095-2012）[9]，將空氣質(zhì)量等級劃分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染六個等級，LED燈對應(yīng)顯示不同的顏色（如表1所示）。當達到嚴重污染時，蜂鳴器發(fā)出警報，提醒監(jiān)測平臺及時采取應(yīng)對措施。

表1 空氣質(zhì)量等級劃分

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

為了實現(xiàn)對局部區(qū)域空氣質(zhì)量的遠程多點監(jiān)測和實時數(shù)據(jù)分析查詢，在系統(tǒng)中通過WiFi無線傳輸模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并將采集數(shù)據(jù)上傳到PM2.5在線監(jiān)測平臺。本系統(tǒng)采用esp8266 WiFi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，擁有強大的WiFi網(wǎng)絡(luò)功能，超低能耗，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)的功能是搭建PM2.5在線監(jiān)測平臺，負責將采集到的PM2.5指數(shù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)分析處理后存儲到數(shù)據(jù)庫，通過最終的應(yīng)用系統(tǒng)向?qū)W校監(jiān)管部門提供空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、蜂鳴報警和趨勢圖分析等服務(wù)，同時向校園用戶實時提供近一周的空氣質(zhì)量信息和數(shù)據(jù)分享服務(wù)。PM2.5在線監(jiān)測平臺利用Eclipse開發(fā)App客戶端，使用Java語言編寫，采用Jsp開發(fā)Web端，搭建配置Tomcat服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫采用MySQL前端采用CSS和JS等相關(guān)技術(shù)，對網(wǎng)站頁面進行排版，以求達到視覺上的美觀。

3.1 功能設(shè)計

PM2.5在線監(jiān)測平臺包括3個子系統(tǒng)：空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)和監(jiān)測設(shè)備管理子系統(tǒng)。

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)負責接收所有多功能PM2.5檢測裝置上報的檢測數(shù)據(jù)進行實時存儲、檢查和處理，完成整個平臺PM2.5指數(shù)、溫度和濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)的維護和管理。

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)為用戶遠程提供局部區(qū)域多樣點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、最近一周的歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析、客戶端自動刷新和數(shù)據(jù)分享等服務(wù)。實時監(jiān)測將多功能PM2.5檢測裝置采集到的PM2.5指數(shù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)實時在App端、網(wǎng)頁端，為用戶提供24小時不間斷的空氣質(zhì)量信息。統(tǒng)計分析提供所有監(jiān)測點最近一星期環(huán)境信息的瀏覽查詢，以統(tǒng)計圖表和趨勢圖的方式，展示各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)匯總分析，使得用戶以簡單、直觀的方式了解監(jiān)測區(qū)域的空氣質(zhì)量信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過自動和手動兩種方式刷新。

監(jiān)測設(shè)備管理子系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)測設(shè)備的基本信息、監(jiān)測周期等參數(shù)，負責對監(jiān)測設(shè)備的維護管理。在PM2.5指數(shù)達到嚴重污染時，及時通知管理人員對監(jiān)測點采取合理的調(diào)控措施。

3.2 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

為了實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的實時遠程管理與分析，PM2.5檢測裝置采集的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳輸?shù)娇諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)搭建VB服務(wù)端。多樣點PM2.5檢測裝置基于TCP協(xié)議，根據(jù)IP地址和服務(wù)器端口號建立與VB服務(wù)端的可靠連接，實現(xiàn)遠程接收采樣信息，并存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫。在后臺通過JDBC連接數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合相應(yīng)的SQL語句操作數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的存儲、維護和管理。VB服務(wù)端網(wǎng)絡(luò)功能執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)功能執(zhí)行流程

VB服務(wù)端接收各監(jiān)測點所部署裝置的采樣數(shù)據(jù)，并進行格式化處理。服務(wù)端的接收數(shù)據(jù)界面如圖5所示。

圖5 服務(wù)端接收界面

在同一局域網(wǎng)中，根據(jù)目標IP和端口號，找到對應(yīng)的多功能PM2.5檢測裝置。采樣序號是存儲數(shù)據(jù)時返回的更新行數(shù)，代表當前更新到第幾行，便于定位下次更新數(shù)據(jù)的位置，覆蓋歷史數(shù)據(jù)。

3.3 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)

該監(jiān)測平臺應(yīng)用于小范圍區(qū)域，服務(wù)器的并發(fā)訪問用戶不多。Tomcat服務(wù)器是一個免費的開放源代碼的Web應(yīng)用服務(wù)器，在中小型系統(tǒng)中被普遍使用。因此，在系統(tǒng)中搭建配置Tomcat服務(wù)器，通過Http協(xié)議與客戶端進行通信。采用EJB組件進行數(shù)據(jù)庫的操作與管理，使用Servlet組件為遠程訪問數(shù)據(jù)庫提供接口（如圖6所示），使數(shù)據(jù)訪問者和數(shù)據(jù)提供者相分離[10]，簡化客戶端程序的開發(fā)，提高系統(tǒng)的通用性。

圖6 服務(wù)器與客戶端的數(shù)據(jù)交互

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計思路，研發(fā)了杭州電子科技大學PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過半年多的實際運行，本系統(tǒng)使用效果良好，方便實時地反映校園空氣質(zhì)量狀況，使環(huán)境信息達到充分共享。它以不同顏色折線描繪的數(shù)據(jù)趨勢圖展現(xiàn)最近一星期和當前的PM2.5指數(shù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)，具備客戶端表現(xiàn)豐富、交互性好的優(yōu)點。當PM2.5指數(shù)達到嚴重污染時，蜂鳴器會發(fā)出警報，一方面可以提醒用戶合理安排出行，另一方面有利于監(jiān)測平臺對該監(jiān)測點進行預(yù)估調(diào)整。

圖7（a）為LCD屏截圖，實時顯示監(jiān)測點的PM2.5指數(shù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)；圖7（b）為監(jiān)測指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析App端截圖；圖7（c）為監(jiān)測指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析網(wǎng)頁端截圖。App端和網(wǎng)頁端同步顯示監(jiān)測到的環(huán)境信息。本次測試只截取了2017年11月15日11:00～21:00和2017年11月9日至2017年11月15日學校餐廳區(qū)域一星期的PM2.5、溫度和濕度歷史值，采集的單位時間間隔為30 s。將測試結(jié)果與環(huán)境監(jiān)測總站更新的數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，兩者顯示的PM2.5、溫度和濕度的變化趨勢一致。相同時間對應(yīng)的測量值大致近似，達到了預(yù)期效果，能夠合理體現(xiàn)一天中測量的PM2.5、溫度和濕度的變化情況。用戶可以根據(jù)需要，查看所處小范圍區(qū)域多節(jié)點的PM2.5指數(shù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)，合理安排自己的出行。

圖7 PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺界面

應(yīng)用結(jié)果表明，該客戶端取得的效果表現(xiàn)在：（1）界面顯示包含實時的PM2.5指數(shù)和對應(yīng)的空氣質(zhì)量等級，當天24小時和最近一周的PM2.5指數(shù)、溫度和濕度數(shù)據(jù)趨勢圖等3部分內(nèi)容；（2）通過點擊“+”按鈕，可以對各監(jiān)測點進行選擇查詢；（3）通過點擊分享按鈕，可以將界面監(jiān)測數(shù)據(jù)以截圖的形式分享到微信、微博和人人網(wǎng)等第三方平臺；（4）監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時自動更新，也可以手動點擊界面的“更新”按鈕來更新顯示PM2.5、溫度和濕度數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語

校園PM2.5在線監(jiān)測平臺是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，綜合運用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機應(yīng)用等多種技術(shù)，形成的校園網(wǎng)絡(luò)化、智能化的PM2.5在線監(jiān)測系統(tǒng)，具備多樣點實時在線監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲與統(tǒng)計分析、趨勢圖表可視化和移動終端便捷性等特點，實現(xiàn)對校園環(huán)境的實時空氣質(zhì)量監(jiān)測，克服傳統(tǒng)PM2.5檢測儀的造價高、操作復(fù)雜性、監(jiān)測數(shù)據(jù)籠統(tǒng)的缺陷。PM2.5在線監(jiān)測平臺使人們遠程實時了解所處環(huán)境的空氣質(zhì)量狀況，更好地利用網(wǎng)絡(luò)及時獲取信息，提高了環(huán)保意識，便于合理安排出行。

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