基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

王暢 屈巍

摘 要：本文提出一種可以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建起基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在說(shuō)明該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，從傳感器子系統(tǒng)、用戶(hù)監(jiān)測(cè)移動(dòng)端子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)這三個(gè)子功能系統(tǒng)入手，闡述了該基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng);互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)

近幾年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、感知技術(shù)、云計(jì)算服務(wù)的迅速發(fā)展，在這樣的背景下，智慧城市已然成為城市發(fā)展的主流趨勢(shì)。其中，基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究是智慧城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的深入研究是不可或缺的。特別是在大氣污染情況愈加嚴(yán)峻的今天，開(kāi)發(fā)一種可以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)極為必要。

一、基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

（一）部署為單片機(jī)stm32控制的空氣污染監(jiān)測(cè)傳感器

空氣污染數(shù)據(jù)收集，部署為單片機(jī)stm32控制的空氣污染監(jiān)測(cè)傳感器，stm32具有3種低功能模式，是一種功耗較低的單片機(jī)。數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)（所謂傳感器節(jié)點(diǎn)）的硬件設(shè)計(jì)部分主要由電源電路、微處理器、空氣污染檢測(cè)傳感器、無(wú)線(xiàn)模塊、595數(shù)碼管等級(jí)顯示等模塊組成。通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊，將采集的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理中心，通過(guò)編程處理，得出該區(qū)域監(jiān)測(cè)結(jié)果，反映給系統(tǒng)用戶(hù)。

（二）互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)與Android技術(shù)相結(jié)合

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Android的出現(xiàn)在不久的時(shí)間內(nèi)之所以能取得這么大的成功就是因?yàn)槠渚哂虚_(kāi)源性，并且擁有很好的界面，尤其適合進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。采用互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合android平臺(tái)設(shè)計(jì)，使得基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為可能。

（三）基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的啟發(fā)式算法

在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要提出了一種部署方法，使節(jié)點(diǎn)的部署成本最小化，同時(shí)保證所需的同化質(zhì)量和傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接性。在基于數(shù)據(jù)同化定義的空氣污染環(huán)境地圖下運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式;使用空氣質(zhì)量映射的公式定義一個(gè)使用混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃的部署模型;分析優(yōu)化模型的計(jì)算復(fù)雜度，最終形成一種基于線(xiàn)性松弛的啟發(fā)式算法。

二、基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

（一）傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集中，主要目的在于實(shí)時(shí)生成準(zhǔn)確的污染地圖。在這項(xiàng)工作中，筆者提出了基于物理模型來(lái)模擬污染擴(kuò)散的空氣污染地圖的繪制，考慮數(shù)據(jù)同化的應(yīng)用案例，用于修正基于傳感器測(cè)量的物理模型。在啟發(fā)式算法中，引入了一種新的部署方法，使節(jié)點(diǎn)的部署成本最小化，同時(shí)保證所需的同化質(zhì)量和傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接性。在基于數(shù)據(jù)同化定義的空氣污染環(huán)境地圖下運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式;使用空氣質(zhì)量映射的公式定義一個(gè)使用混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃的部署模型;分析優(yōu)化模型的計(jì)算復(fù)雜度，最終形成一種基于線(xiàn)性松弛的啟發(fā)式算法。在監(jiān)測(cè)污染系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)的驗(yàn)證過(guò)程中，將得到的結(jié)果與已經(jīng)經(jīng)過(guò)證明可靠性的系統(tǒng)進(jìn)行比較，驗(yàn)證傳感器子系統(tǒng)在能量減少的實(shí)效性，以及監(jiān)測(cè)所獲數(shù)據(jù)的可靠性。在數(shù)據(jù)傳輸中，將測(cè)量的結(jié)果通過(guò)wifi模塊傳送到服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)中，并根據(jù)傳送數(shù)據(jù)的不同進(jìn)行分類(lèi)形成表格，方便用戶(hù)查詢(xún)。

（二）用戶(hù)監(jiān)測(cè)移動(dòng)端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)需求分析中，分析用戶(hù)所需的污染物，便于搜集統(tǒng)計(jì)污染物濃度信息。在用戶(hù)界面中，建立良好的用戶(hù)登錄、用戶(hù)注冊(cè)、刪除用戶(hù)界面和機(jī)制，便于用戶(hù)登錄查詢(xún)信息。在后臺(tái)運(yùn)用合理的算法，方便數(shù)據(jù)的快速查詢(xún)和數(shù)據(jù)的有效組織。在系統(tǒng)完善化方面，需要查閱關(guān)于空氣污染監(jiān)測(cè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的用戶(hù)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際模擬驗(yàn)證各種用戶(hù)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與不足，在查閱相關(guān)資料，對(duì)空氣污染監(jiān)控系統(tǒng)在用戶(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際調(diào)度、智能程度規(guī)劃進(jìn)行填補(bǔ)。

（三）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，記錄收集到的數(shù)據(jù)，做好完整的數(shù)據(jù)分析、視圖。便于管理員管理，更新數(shù)據(jù)。在實(shí)際實(shí)踐階段得到管理員反饋并維護(hù)。需求收集和分析，結(jié)果得到數(shù)據(jù)字典描述的數(shù)據(jù)需求（和數(shù)據(jù)流圖描述的處理需求）。

通過(guò)對(duì)用戶(hù)需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個(gè)獨(dú)立于具體DBMS的概念模型，可以用E-R圖表示。為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個(gè)最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)（包括存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取方法）。運(yùn)用DBMS提供的數(shù)據(jù)語(yǔ)言（例如SQL）及其宿主語(yǔ)言（例如C），根據(jù)邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫(kù)，編制與調(diào)試應(yīng)用程序，組織數(shù)據(jù)入庫(kù)，并進(jìn)行試運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試運(yùn)行后即可投入正式運(yùn)行。在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中必須不斷地對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)、調(diào)整與修改。

總結(jié)

當(dāng)前，智慧城市已然成為城市發(fā)展的主流趨勢(shì)，對(duì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的深入研究是不可或缺的。特別是在大氣污染情況愈加嚴(yán)峻的今天，開(kāi)發(fā)一種可以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)極為必要。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)、Android技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，組建起傳感器子系統(tǒng)、用戶(hù)監(jiān)測(cè)移動(dòng)端子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]A.Boubrima， W.Bechkit， and H.Rivano，“Optimal wsn deployment models for air pollution monitoring，” IEEE Transactions on Wireless Communications， vol.66， no.5， pp.2723-2735， 2017.

[2]Ahmed Boubrima， Walid Bechkit， and Herve Rivano. Optimal wsn deployment models for air pollution monitoring. IEEE TWC 2017.

作者簡(jiǎn)介：

姓名（出生年、性別）：王暢，籍貫：山東省安丘市，職稱(chēng)和學(xué)歷：本科（學(xué)歷），研究方向或?qū)I(yè)：網(wǎng)絡(luò)工程（專(zhuān)業(yè)）。

第二作者：屈巍。