基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣揚(yáng)塵檢測

韓寶碩

摘要：大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)依靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來對大氣環(huán)境中的污染物進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)用無線傳感器節(jié)點作為數(shù)據(jù)采集的基本單位和平臺，傳感器節(jié)點能在被監(jiān)測區(qū)域中自己組建網(wǎng)絡(luò)，采集所需要的數(shù)據(jù)信息，并傳送給監(jiān)測終端。

關(guān)鍵詞：無線傳感器;傳感器;大氣揚(yáng)塵檢測

一、引言

大氣污染問題目前越來越受到國家和人民的重視，其中一類污染源就是大氣揚(yáng)塵。大氣揚(yáng)塵污染對人體健康有著極大的危害，顆粒小于10微米的粉塵可以通過呼吸吸入下呼吸道，顆粒小于2.5微米的粉塵會沉積到肺泡。而房屋建設(shè)施工、道路與管線施工、房屋拆除、物料運(yùn)輸?shù)然顒佣紩a(chǎn)生粉塵顆粒物，對大氣造成污染。城市環(huán)境中，不文明施工現(xiàn)象頻發(fā)，基層環(huán)保部門面臨監(jiān)控面積大、收集證據(jù)難等壓力。我們可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)知識，設(shè)計一種能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域大氣揚(yáng)塵進(jìn)行監(jiān)測的系統(tǒng)，以便管理人員能夠快速發(fā)現(xiàn)違法現(xiàn)象。

二、設(shè)計思路

首先，在使用大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測期間，不能影響被監(jiān)測區(qū)域的生態(tài)環(huán)境以及生物的各種活動，保證該地區(qū)自然環(huán)境的原始狀態(tài)。其次，傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)在傳輸期間不能發(fā)生丟失，失真以及較長延時等故障，過多的錯誤數(shù)據(jù)或者無效數(shù)據(jù)，會影響所收集的數(shù)據(jù)的真實性和參考意義。第三，后臺數(shù)據(jù)庫需要有足夠的存儲空間，對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便日后的查看和作相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。第四，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要有足夠長的使用壽命，要確保無線傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，經(jīng)常性出現(xiàn)問題，會加大鋪設(shè)節(jié)點所造成的成本和開支，導(dǎo)致得不償失。第五，用戶終端需要允許用戶對采集的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行查看和訪問，以及必要性的控制和管理。

三、主要內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測是指對一個地區(qū)大氣中的主要污染物進(jìn)行布點觀測，并由此評價大氣環(huán)境質(zhì)量的過程。而大氣中的主要污染物為二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧等，設(shè)計大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)時應(yīng)該進(jìn)行觀測統(tǒng)計。而且氣象條件也對大氣污染有很大影響，所以大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)還應(yīng)該包含風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對濕度、氣壓等氣象參數(shù)的測定。此外，反映碳排放的重要指標(biāo)是二氧化碳的排放量，還應(yīng)該把二氧化碳列入監(jiān)測項目之一。綜上所述，大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該包括NO2傳感器、SO2傳感器、CO傳感器、O3傳感器、CO2傳感器等氣體監(jiān)測傳感器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器等物理信息監(jiān)測傳感器。

大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的，可以分為傳感器層、中間件層、用戶應(yīng)用層三部分。

傳感器層由嵌入式網(wǎng)關(guān)和若干傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，是大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的硬件基礎(chǔ)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機(jī)部署在待檢測區(qū)域內(nèi)的傳感器獲取用戶所需要的被監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)及地理位置信息，再將這些數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸模塊或者 ZigBee 無線通信方式傳輸?shù)街虚g件層中的服務(wù)器接收。中間件層實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的調(diào)度控制以及傳感器節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的各種參數(shù)的設(shè)置，與此同時，中間件作為傳感器層與用戶應(yīng)用層之間的橋梁，其將傳感器層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷和相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后存儲到后臺數(shù)據(jù)庫。用戶應(yīng)用層通過上位機(jī)操作界面獲取數(shù)據(jù)庫中的各種數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)自己的實際需求向中間件層反饋相應(yīng)的命令，中間件根據(jù)用戶下達(dá)的信息翻譯成相應(yīng)的指令來控制傳感器層，從而滿足用戶的特殊需求。

大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會根據(jù)提前預(yù)定的大氣揚(yáng)塵污染標(biāo)準(zhǔn)來判斷數(shù)據(jù)是否有異常。如果有異常數(shù)據(jù)且長時間存在，系統(tǒng)會通過管理人員安裝的應(yīng)用程序向管理人員發(fā)送通知，通知內(nèi)容包含污染的地理位置信息，污染物種類，污染超標(biāo)數(shù)據(jù)、傳感器節(jié)點編號等內(nèi)容。通知以就近原則，分析節(jié)點的位置和所有管理人員的位置，優(yōu)先發(fā)送給距離節(jié)點最近的管理人員，以便于問題可以及時得到解決，管理人員可以在接收到推送第一時間趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理，若一段時間后，被通知的管理人員未能及時處理通知，系統(tǒng)會擴(kuò)大通知范圍再次發(fā)送通知。以此類推，直到大氣污染異常數(shù)據(jù)問題被管理人員處理，管理人員還可通過對系統(tǒng)中的監(jiān)測終端節(jié)點采集的污染數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，以觀測污染物的日常分布情況。系統(tǒng)還會自動統(tǒng)計分析各個地點的污染數(shù)據(jù)趨勢，給出某個節(jié)點在將來會發(fā)生污染的概率。管理人員可以根據(jù)大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)測的提示去提前處理隱患，盡量不讓污染情況的發(fā)生，防患于未然。

四、總結(jié)

無線傳感器具有組網(wǎng)靈活的特點，每個終端節(jié)點都具有路由功能，可以采集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。終端節(jié)點之間可以自發(fā)的組建網(wǎng)絡(luò)，不依賴輔助設(shè)施或者人為干預(yù)。終端節(jié)點之間可以動態(tài)拓展，如果有終端節(jié)點因為能量不足或者環(huán)境干擾等因素的損壞而失效，那么剩余的節(jié)點可以互相協(xié)調(diào)互補(bǔ)，組建成新的網(wǎng)絡(luò)，不會影響全局任務(wù)的進(jìn)行。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大大的降低了人工成本，使數(shù)據(jù)收集變得簡易化，數(shù)據(jù)化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)感知層，可以進(jìn)行對物體信息的采集和提取，這一功能對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，起著至關(guān)重要的作用。

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