基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的局域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉樹博， 皮晶星， 劉志鋒， 曾慶宇航， 劉 臣， 賴志林

(1. 東華理工大學(xué) 江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330013；2. 東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3. 東華理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，我國(guó)空氣質(zhì)量問(wèn)題逐漸凸顯，因此加強(qiáng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)代化生活是十分必要的。目前，我國(guó)的空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，提供的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確到特定區(qū)域，局部針對(duì)性較差(潘本鋒等，2014)。因此，各氣象局提供的數(shù)據(jù)，在給定區(qū)域范圍內(nèi)，只能作為參考。

針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的局域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)空氣中的PM2.5/PM10，溫濕度等多種氣體數(shù)據(jù)指標(biāo)。該系統(tǒng)由底層采集設(shè)備、服務(wù)器和手機(jī)終端構(gòu)成，利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的發(fā)送，使用戶能夠通過(guò)手機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控特定區(qū)域的空氣質(zhì)量。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由底層采集設(shè)備，服務(wù)器及手機(jī)監(jiān)測(cè)部分構(gòu)成。底層采集部分由STM32嵌入式處理器、傳感器電路、顯示電路、電源電路和GSM模塊構(gòu)成。主控芯片采用的是STM32F103處理器，相比于傳統(tǒng)的STC單片機(jī)，該處理器處理速度更快，性價(jià)比更高(杜春雷，2003；周立功，2003)?？諝赓|(zhì)量傳感器采用DLS-03、DHT21傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5/PM10和空氣溫濕度的檢測(cè)。在獲取相應(yīng)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)后，底層采集部分通過(guò)GSM模塊，利用GPRS通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，用戶可實(shí)時(shí)通過(guò)手機(jī)APP完成對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

該空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由底層采集設(shè)備、服務(wù)器和手機(jī)三大部分構(gòu)成。其中，底層采集設(shè)備如圖2所示，可以放置于局部區(qū)域的固定觀測(cè)點(diǎn)，其數(shù)量和擺放位置，由實(shí)際需求確定。此外，底層采集設(shè)備還可以通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載，對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以了解當(dāng)前空氣質(zhì)量的動(dòng)態(tài)分布情況。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system structure

圖2 底層采集設(shè)備實(shí)物圖Fig.2 Physical map of bottom collection equipment

2 底層采集設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)需求，選取18650可充電鋰電池作為能量源，在電量不足時(shí)，可外接電源適配器通過(guò)TP4056芯片完成充電。

2.2 溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用DHT21(胡古月等，2013)數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。DHT21與微處理器之間采用單總線數(shù)據(jù)格式，由微處理器STM32F103發(fā)送開機(jī)指令，一次通訊時(shí)間為5 ms左右。

2.3 PM2.5/10檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用海伯倫激光粉塵傳感器DLS-03傳感器。該傳感器采用光散射原理，激光在顆粒上產(chǎn)生的射光，由光電接收器件轉(zhuǎn)為電信號(hào)，再通過(guò)特定算法計(jì)算出PM2.5/PM10的質(zhì)量濃度。該傳感器采用異步串行通信方式，以幀為單位進(jìn)行通訊。

2.4 GSM模塊電路設(shè)計(jì)

在微處理器STM32F103與傳感器成功建立數(shù)據(jù)連接后，GSM模塊(朱煜峰等，2012；程朋根等，2008)從STM32F103的P0口接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS與服務(wù)器連接，每15 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳輸(傅中君，2004；曹潔等，2010)。在實(shí)際使用過(guò)程中，在GSM模塊外部加裝金屬屏蔽殼和延長(zhǎng)天線的方法達(dá)到屏蔽電磁干擾。

2.5 顯示電路設(shè)計(jì)

屏幕顯示實(shí)物圖如圖3所示。本項(xiàng)目選取體積小巧、功耗較低的0.96寸OLED作為顯示屏(陳海峰等，2015)。在系統(tǒng)正常工作后，完成當(dāng)前采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和GPRS工作狀態(tài)的顯示工作。

圖3 OLED顯示實(shí)物圖Fig.3 Screen physical map of OLED

3 Web服務(wù)器和通信通道的搭建

Web服務(wù)器環(huán)境搭建包括Java環(huán)境搭建、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境搭建以及Tomcat配置，在完成服務(wù)器環(huán)境搭建后，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)傳感器采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)(PM2.5/PM10、溫濕度)和底層采集設(shè)備的GPS數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度)，分別用表data和表equipment進(jìn)行存儲(chǔ)，并在后臺(tái)做好備份。這樣不僅能夠防止數(shù)據(jù)被異常覆蓋而丟失，而且能夠方便后期的統(tǒng)計(jì)和分析。

4 數(shù)據(jù)終端

系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端需采用基于Android4.0及以上版本的智能手機(jī)，目前暫不支持其他系統(tǒng)智能手機(jī)和PC端。用戶可通過(guò)下載的手機(jī)APP隨時(shí)隨地的了解底層采集設(shè)備所在位置的空氣質(zhì)量情況，為生產(chǎn)生活做好必要的準(zhǔn)備。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 軟件流程圖

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主流程圖如圖4所示。底層采集設(shè)備上電開機(jī)，在對(duì)內(nèi)部初始化完畢后，系統(tǒng)開始正常工作，并開啟定時(shí)器中斷。在中斷到來(lái)時(shí)，STM32F103對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并通過(guò)GPRS發(fā)送至服務(wù)器。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主流程圖Fig.4 Main flow chart of monitoring system

5.2 手機(jī)APP開發(fā)

利用Android開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了手機(jī)APP(汪永松，2014；王麗芳等，2014)。在傳感器數(shù)據(jù)顯示的基礎(chǔ)上，增加了用戶所在地理位置的顯示功能。此外，利用后臺(tái)服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，同時(shí)可獲取后兩天的天氣預(yù)報(bào)。通過(guò)校園APP內(nèi)測(cè)，及時(shí)收集反饋意見(jiàn)，促進(jìn)軟件的完善和不斷升級(jí)。手機(jī)APP界面如圖5所示。

圖5 手機(jī)APP界面圖Fig.5 Cell phone APP interface diagram

6 系統(tǒng)的測(cè)試

購(gòu)買現(xiàn)成的手機(jī)電話卡，在聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)的GPRS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。首先，采取固定地點(diǎn)監(jiān)測(cè)模式，即選取學(xué)校東西南北四個(gè)大門作為采集點(diǎn)；其次，在相對(duì)寬闊的校園廣場(chǎng)，采用無(wú)人機(jī)搭載的方式，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，邀請(qǐng)了16級(jí)自動(dòng)化專業(yè)的同學(xué)安裝了該系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件，并對(duì)校園的空氣質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量的采集、后臺(tái)數(shù)據(jù)的分析和維護(hù)和移動(dòng)終端的顯示等功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

表1 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)表

7 結(jié)語(yǔ)

為了解決我國(guó)的空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，針對(duì)性較差的弊端，設(shè)計(jì)了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的局域空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該技術(shù)的成功運(yùn)用，使空氣質(zhì)量的采集不受距離和時(shí)間的限制，能夠?qū)?shù)據(jù)形象地表示出來(lái)，具有反應(yīng)迅速、傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，使人們獲取環(huán)境信息更加的方便、快捷和精確，為打造現(xiàn)代化公共智能場(chǎng)所提供便利。