基于無線傳感器網(wǎng)的室內(nèi)可吸入顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)研究

宋述林

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加快，我國的工業(yè)制造、建筑業(yè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，這些經(jīng)濟(jì)活動(dòng)都對大氣環(huán)境造成了一定的污染?？諝庵锌晌腩w粒物以及粉塵都吸附著大量的有毒物質(zhì)，當(dāng)濃度過高時(shí)，不僅會(huì)造成能見度較低的霧霾天氣，還會(huì)對人類的身體健康產(chǎn)生威脅。針對這種情況，人們對大氣中的可吸入顆粒物開始進(jìn)行監(jiān)測活動(dòng)，以保證人們的正常生活。文章通過對可吸入顆粒物以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，對無線傳感器在可吸入顆粒物監(jiān)測應(yīng)用中做出了一定的歸納與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；室內(nèi)；可吸入顆粒物；監(jiān)測

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0075-02

Abstract： With the rapid development of social economy， the scale of industrial manufacturing and construction industry in China is also expanding， these economic activities can cause certain pollution to the atmospheric environment. Inhalable particles and dust in the air are adsorbed a large number of toxic substances， when the concentration is too high， will not only cause low visibility of haze weather， but also pose a threat to human health. In response to this situation， people began to monitor the inhalable particulates in the atmosphere in order to ensure the normal life of people. In this paper， through the research of inhalable particulate matter and wireless sensor network technology， the application of wireless sensor in the monitoring of inhalable particulates is summarized and summarized.

Keywords： wireless sensor； indoor； inhalable particulate matter； monitoring

1 對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的認(rèn)識

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在社會(huì)發(fā)展中產(chǎn)生的一種高科技的新興技術(shù)，它集合了無線通信系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)以及傳感系統(tǒng)等多種高科技技能系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工作時(shí)，通過傳感系統(tǒng)對所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳播到所有系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)，隨后通過網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等把所有數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的監(jiān)測站。

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的介紹。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一項(xiàng)集多種技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，它包含了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)的傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)。無線傳感器是通過網(wǎng)絡(luò)科技來進(jìn)行無線傳輸工作的，它主要包含了三個(gè)中心要素，即所要感知的目標(biāo)、傳感器和相應(yīng)的監(jiān)測中心。一般情況下，在一個(gè)正常規(guī)范的無線傳感器中都會(huì)有一個(gè)甚至多個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、傳播等作用的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的工作系統(tǒng)包括傳感器、通信器、處理器和能量供應(yīng)器四個(gè)工作模塊[1]。作為傳感器節(jié)點(diǎn)的主要核心，處理器的工作主要是對各個(gè)工作模塊進(jìn)行有效的操作以確保網(wǎng)絡(luò)傳播工作的正常運(yùn)行，能量供應(yīng)器是傳播感應(yīng)器工作的基礎(chǔ)，它為傳播節(jié)點(diǎn)所帶有的電量進(jìn)行節(jié)能工作，保證電量不會(huì)過于消耗。匯聚節(jié)點(diǎn)的工作一般分為兩個(gè)部分，一是負(fù)責(zé)將傳感器收集的信息全部集中在一起，其次要進(jìn)行信息與外部網(wǎng)絡(luò)的交換作業(yè)，完成收集資料的對外傳播工作，進(jìn)而保證監(jiān)管系統(tǒng)的工作正常運(yùn)行。（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是社會(huì)進(jìn)步的產(chǎn)物，隨著社會(huì)對高科技的不斷研發(fā)和網(wǎng)絡(luò)科技的飛快發(fā)展，無線傳感器被廣泛的應(yīng)用到我們生活和工作中。無線傳感器具有一定的優(yōu)勢和長處，首先，無線傳感器節(jié)省了大部分的人力工作，它能夠通過特殊功能進(jìn)行結(jié)網(wǎng)工作并保持有效正常的運(yùn)行。其次，無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)工作密度高、范圍廣，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可達(dá)到相當(dāng)繁多的數(shù)量，這些大量的節(jié)點(diǎn)被分布到同一片監(jiān)測場地，進(jìn)而使密度被增大，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布范圍也相當(dāng)廣泛，這為數(shù)據(jù)的收據(jù)提供了巨大作用[2]。再次，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)施十分強(qiáng)大，具有充分的牢固性，其軟件設(shè)施也采用節(jié)能的功效，確保了無線傳感器在惡劣的環(huán)境中能維持正常的工作。

2 對可吸入顆粒物的研究

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的社會(huì)背景下，工業(yè)制造也不斷擴(kuò)大發(fā)展規(guī)模，煤礦、石油等化學(xué)燃料被大量開采和使用，在這個(gè)過程中，大量的有毒性氣體及有毒顆粒被排放到我們生存的環(huán)境中，使我們賴以生存的環(huán)境空氣被污染?？晌腩w粒物具有非常大的危害性，不但能通過人們呼吸進(jìn)入到身體中，對人的身體健康造成威脅，還會(huì)造成霧霾天氣，影響人的出行和生活。

（1）可吸入顆粒物的來源和危害。對空氣造成污染的顆粒污染物是指在空氣中運(yùn)行的顆粒狀態(tài)的、大小不一的固體形態(tài)的污染物，顆粒污染物分為多種，包括粉塵、霧以及氣泡、滴液等。一般情況下，我們把顆粒物分為懸浮顆粒物和可吸入顆粒物，這些顆粒物的來源廣泛，在我們的日常生活中，汽車交通工具的使用、燃燒煤炭與石油、工程建筑工地、水泥石灰廠等活動(dòng)的展開都會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒污染物[2]。我們?nèi)粘＝?jīng)常提到的PM10及為可吸入顆粒物，這些可吸入顆粒物中，一部分較大的顆粒在人們呼吸的過程中被阻攔在了口腔和鼻腔中，較細(xì)、較小顆粒則會(huì)通過人類的呼吸進(jìn)入到人體的咽喉、氣管等重要部位，對人類的身體造成危害。其中，PM2.5危害巨大，被稱為可入肺顆粒物，這些污染顆粒物在人類呼吸后進(jìn)入人類的口腔，并通過呼吸道進(jìn)入人類的肺泡中，甚至有些污染顆粒進(jìn)入肺部后完全沉積，并通過肺部傳播到其他的循環(huán)系統(tǒng)中，不僅會(huì)引發(fā)各種呼吸系統(tǒng)和肺部器官的疾病，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的心腦血管疾病。因此，可吸入顆粒物對人體的健康具有極大的威脅性和危害性。（2）大氣中可吸入顆粒物的測量辦法。在目前的社會(huì)生活中，對大氣中可吸入顆粒物的檢測辦法主要分為兩種，即手動(dòng)檢測法和自動(dòng)檢測法。手動(dòng)測量法又分為稱重測量和篩分測量，這兩種方式主要是通過人力來對所收集的顆粒物進(jìn)行過濾工作、烘干工作，隨后進(jìn)行稱重和計(jì)算來得到大氣中顆粒物的濃度，手動(dòng)檢測的每個(gè)環(huán)節(jié)都需要支配人力進(jìn)行，工作效率低下且測量結(jié)果數(shù)據(jù)缺乏準(zhǔn)確性。自動(dòng)檢測法包含β射線檢測法、微量振蕩天平檢測法、光散射檢測法。在β射線檢測法中，我們只需要對射線衰弱量的大小進(jìn)行測量，就可以計(jì)算出所收集顆粒物的濃度。在振蕩天平測量法中，我們只需要對錐形管在工作中產(chǎn)生的振蕩頻率進(jìn)行測量，再掌握空氣流速以及溫濕度等外部因素，就能得出該時(shí)間內(nèi)顆粒物的濃度。光散射法是通過實(shí)驗(yàn)顆粒物對光散射的作用來進(jìn)行顆粒物的濃度測量的，它通過一定的工作運(yùn)轉(zhuǎn)程序，運(yùn)用粉塵濃度和電壓之間的聯(lián)系，經(jīng)過換算就可以得出顆粒物的濃度。自動(dòng)檢測法的自動(dòng)化強(qiáng)度較高，節(jié)省了一定的人力和工序，提高了工作效率，但也有一定的缺陷，如β射線測量會(huì)對人體皮膚造成危害，震蕩天平測量中所含的易揮發(fā)物質(zhì)，使測量結(jié)果偏低等。

3 可吸入顆粒物監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

通過對可吸入顆粒物的研究以及對無線傳感器的思考，完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對大氣中可吸入顆粒物的監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，對所要監(jiān)測的區(qū)域進(jìn)行收集節(jié)點(diǎn)的安置，通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)自主組網(wǎng)，完成對可吸入顆粒物的監(jiān)測工作。在監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，要從無線傳感器的實(shí)際工作為出發(fā)點(diǎn)，完成可吸入顆粒物無線傳感網(wǎng)絡(luò)的模塊設(shè)計(jì)和中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，保證大氣環(huán)境中的可吸入顆粒物在監(jiān)管下能降低其濃度，使人們的生產(chǎn)活動(dòng)和生存環(huán)境得到保障。

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。在對可吸入顆粒物監(jiān)管系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，無線傳感的監(jiān)測工作主要由三部分構(gòu)成，分別為傳感器節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)的基站以及管理監(jiān)控中心。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)的主要工作是對大氣環(huán)境中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，節(jié)點(diǎn)基站作為組網(wǎng)的中央節(jié)點(diǎn)，需要將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一集中工作，管理監(jiān)控中心在對基站傳播過來的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理后，還要完成交互工作。傳感器節(jié)點(diǎn)的組成中，主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和節(jié)能系統(tǒng)，采集系統(tǒng)要將收集到的大氣顆粒物、濕潤程度等信息通過無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行整理后傳達(dá)到中心節(jié)點(diǎn)的基站。節(jié)點(diǎn)基站要有同功能的無線通訊系統(tǒng)以及連接轉(zhuǎn)換器，在收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到達(dá)的大氣數(shù)據(jù)后，運(yùn)用有線的傳播方式經(jīng)過轉(zhuǎn)換器傳送到管理監(jiān)控中心。管理監(jiān)控中心要有一定的硬件設(shè)施，如監(jiān)控器以及監(jiān)控電腦，通過硬件設(shè)施來對接收的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、處理工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對大氣可吸入顆粒物的監(jiān)測工作。（2）可吸入顆粒物無線傳感網(wǎng)絡(luò)的模塊設(shè)計(jì)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的模塊設(shè)計(jì)，根據(jù)模塊采集信息主要為大氣環(huán)境可吸入顆粒物的要求，通訊傳播模塊主要分為微數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸RF模塊建設(shè)，其設(shè)計(jì)方案的功能性主要包括多項(xiàng)。其一，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)要保證足夠的電量和能量進(jìn)行長時(shí)間的工作。其二，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作的模塊和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳播的通訊模塊在物力應(yīng)用中是分離工作的，因此設(shè)計(jì)的監(jiān)測模塊要保證后續(xù)進(jìn)行采集工作的模塊具有擴(kuò)展性、變更性。其三，在保證數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行有效傳播通訊的基礎(chǔ)上，每個(gè)無線傳感器的節(jié)點(diǎn)距離要盡量增大。綜合以上設(shè)計(jì)方案的要求，為了使各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能得到充分發(fā)揮，在對傳感器節(jié)點(diǎn)的模塊進(jìn)行選型時(shí)，一定要對功能質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，通過對微數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)傳輸RF模塊建設(shè)報(bào)以嚴(yán)肅認(rèn)真的態(tài)度，使無線傳感器發(fā)揮最大的功效，使方案設(shè)計(jì)充分滿足對大氣可吸入顆粒物的監(jiān)測工作。（3）可吸入顆粒物無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。在可吸入顆粒物無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)中，最為核心和主要的就是網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的建設(shè)工作，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建立、發(fā)展、后期運(yùn)行的各項(xiàng)信息進(jìn)行必要的維護(hù)和管理工作。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，其中心節(jié)點(diǎn)一旦進(jìn)行工作就會(huì)開始對周邊的環(huán)境進(jìn)行檢測，并且會(huì)選擇一個(gè)中心和適合的通訊路線，進(jìn)行整個(gè)組網(wǎng)工作的開啟，組網(wǎng)工作的順利建成之后，其他的無組織節(jié)點(diǎn)就會(huì)在被中心節(jié)點(diǎn)接納的情況下加入到這個(gè)組建的網(wǎng)絡(luò)中來。可吸入顆粒物無線傳感網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)需要一定的硬件設(shè)施，在處理器、供電節(jié)點(diǎn)器等硬件設(shè)施全部組建成功后，其工作的展開需要在中心節(jié)點(diǎn)通電后對芯片和通訊串口進(jìn)行初始化，初始化完成、組網(wǎng)成功，協(xié)調(diào)器開始對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行配置，并將信息顯現(xiàn)出來，中心節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行無線監(jiān)測工作。

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