大氣環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：針對陜北地區(qū)春秋季大氣環(huán)境惡劣的問題，運用WiFi與Android系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計了一種大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸采集到的數(shù)據(jù)并與移動終端通信。通過移動終端實時監(jiān)測、存儲接收到的溫度、濕度、光照強度、PM2.5等數(shù)據(jù)，當采集參數(shù)同時超過閾值時，在手機終端發(fā)出警報，進而實現(xiàn)智能監(jiān)測大氣環(huán)境質(zhì)量。對于過敏患者來說，及時掌握空氣狀況并應對空氣質(zhì)量的惡化，變得更容易。實驗證明，這套系統(tǒng)性能良好且易于操控。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境；監(jiān)測系統(tǒng)；傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)；移動終端；過敏患者

中圖分類號：TP27；TN919 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-000-03

0 引 言

近年來，隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，因環(huán)境問題造成的人類健康問題越來越多。其中，過敏反應性疾病的患病率更是不斷升高。在社會快速發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的大氣環(huán)境檢測將面臨非常多的挑戰(zhàn)[1-2]。很多工作都需要人工來完成，因為缺乏智能設(shè)備的支持，導致監(jiān)控數(shù)據(jù)的精確度、實時性不佳。無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控是一種發(fā)展趨勢，是現(xiàn)代化智能化的管理方式。本文利用傳感器組，實時采集大氣環(huán)境中的相關(guān)指標（本文指PM2.5、溫濕度和光照強度），采用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，同時實現(xiàn)環(huán)境指標的實時監(jiān)測，希望在環(huán)境變化時對過敏性患者起到一定的提醒作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的檢測單元包含獲取數(shù)據(jù)的感知層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層和實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的應用層，三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成大氣環(huán)境智能化監(jiān)測與報警系統(tǒng)[3]。感知層包含環(huán)境監(jiān)測所需的傳感器，即溫濕度、光照強度、PM2.5等傳感器；網(wǎng)絡(luò)層本文使用的是WiFi，通過各自網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸自己的數(shù)據(jù)，匯總到一個節(jié)點，按照協(xié)議數(shù)據(jù)上傳格式，進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，生成數(shù)據(jù)包，通過WiFi上傳至應用層，做可視化處理及報警操作。系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 遠程監(jiān)測單元設(shè)計

遠程監(jiān)控模塊主要是由STC12C5A16S2 單片機控制器、WiFi溫濕度感應節(jié)點、WiFi光強感應節(jié)點、塵埃顆粒感應節(jié)點組成。系統(tǒng)透過WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送各感測器節(jié)點所收集到的資料，經(jīng)由主控模組處理后，再于移動端執(zhí)行實時的資料顯示及提醒[4]。

2.2 主控模塊硬件設(shè)計

監(jiān)控中心由高頻RFID節(jié)點和上位機組成，高頻RFID節(jié)點主要用來產(chǎn)生內(nèi)部信息傳輸?shù)腤iFi信號，上位機由Android系統(tǒng)的手機終端組成[5]。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計

（1）溫濕度傳感器：選用HTU21D傳感器，通過I2C總線實現(xiàn)通信，具有測量范圍廣、分辨率可控、響應快、傳輸性能穩(wěn)定的特點。采用DFN封裝[6]。

（2）光照強度傳感器：選用日本ROHM公司的BH1750FVI傳感器。該傳感器為數(shù)字型，測量范圍廣，功耗低，光源依存度弱，簡單易用，擁有可編程控制的多種選擇測量方式，通信方式采用I2C總線[7]。

（3）PM2.5傳感器：用于實現(xiàn)空氣中粉塵濃度檢測，選用國內(nèi)信興微電子股份有限公司的ZPH01粉塵傳感器。其擁有多種輸出方式，如PWM和USART，外形小巧，傳輸穩(wěn)定，反應靈敏。硬件設(shè)計原理如圖 2 所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 開發(fā)環(huán)境搭建

利用集成開發(fā)工具Eclipse和模擬器在Windows10操作系統(tǒng)下構(gòu)建開發(fā)環(huán)境，其中ADT（Android Development Tools）則是Google提供的基于Eclipse的Android開發(fā)插件[8]。

我們選擇了Eclipse進行開源整合環(huán)境IDE（智能整合環(huán)境）的開發(fā)。由于Android SDK和Eclipse都是用Java編寫的，因此首先需要在Windows上安裝JDK（Java Development Kit）。完成JDK安裝，檢驗環(huán)境配置。如果出現(xiàn)圖3所示的JDK編譯器的數(shù)據(jù)，就證明環(huán)境的建設(shè)是成功的。

3.2 傳感器環(huán)境信息采集程序設(shè)計

3.2.1 溫濕度傳感器驅(qū)動程序設(shè)計

設(shè)計選用HTU21D溫濕度傳感器，通過I2C總線與主控制器溝通。HTU21D是一種寫入地址為0x80、讀取地址為0x81、串行時鐘頻率為100 kHz的器件。通信采用單測模式，將相應的測量命令傳輸?shù)組CU與HTU21D的I2C接口，然后連接到遠端套接口，客戶端請求連接到服務(wù)器總線上，以啟動測量相對濕度或溫度。待測量完畢，單片機才能得到測量結(jié)果。單片機可用總線讀取相應量值[9]。若要進行下一步的測量，以上步驟一定要反復進行。

3.2.2 光照強度傳感器程序設(shè)計

Sensor的工作流程為：Sensor上電后會自動進入掉電狀態(tài)，MCU通過I2C總線向傳感器發(fā)送指令0x01，使其進入上電狀態(tài)。發(fā)送測量指令0x20，啟動傳感器測量。一旦測量完成，傳感器就會自動進入休眠狀態(tài)，這時測量結(jié)果就可以被讀取出來了。若要重新測量，只須重復上面的步驟就可以了。

3.2.3 PM2.5傳感器程序設(shè)計

塵埃粒子感應器的輸出方式是借由低脈沖達到讀取PWM信號數(shù)據(jù)的目的。需要使用兩個定時器，分別用于計算輸出低電平比率和計時刷新數(shù)據(jù)，由此才能監(jiān)測到PM2.5傳感器采集的數(shù)據(jù)。如圖4所示為PM2.5傳感器的數(shù)據(jù)收集過程。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計與實現(xiàn)

從采集節(jié)點到Android終端的設(shè)計中采用了B/S 架構(gòu)和TCP/IP協(xié)議。其中Socket是TCP/IP協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)通信的接口，因此在系統(tǒng)中，Socket是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中唯一一個訪問內(nèi)核空間的接口。無線傳輸需要連接網(wǎng)絡(luò)，這就要求Socket在用戶空間中事先設(shè)定好功能，以用于連接每個程序模塊，并將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的具體細節(jié)屏蔽在實現(xiàn)過程中，使用戶使用起來更加簡便[10]。Socket的通信流程如圖5所示。

3.4 Android應用系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)中Android應用程序的開發(fā)主要分為兩部分：一是UI界面的設(shè)計，二是后臺程序邏輯的設(shè)計與實現(xiàn)。本文中，Android端實現(xiàn)的功能主要是與遠程MySQL數(shù)據(jù)庫建立連接，獲取相關(guān)測量信息并顯示在界面上。

Android應用的界面設(shè)計位于ES定時器初始化目錄下，在Layout目錄下包含XML文件。使用XML文件進行 UI 設(shè)計的好處是可以將UI組件的屬性進行集中設(shè)計，讓代碼結(jié)構(gòu)變得更加簡潔清晰。此外，通過XML文件，可以將應用程序的視控從Java代碼中完全分離出來，通過傳感器來判斷IS采樣是否完成。如果完成，計算低電平比率，計算粉塵濃度值，這樣就能更好地遵循MVC（Model-View Controller）原則，最后完成數(shù)據(jù)發(fā)送。當設(shè)計XML布局文件創(chuàng)建UI界面時，只需要在XML文件中添加標簽，再對組件屬性進行簡單的配置，就能達到預期的界面效果。以下是在UI界面對“登錄”按鈕控件描述代碼的修改，主要對按鈕的標識符、寬度與高度、呈現(xiàn)文字、文字尺寸等進行了設(shè)置。

lt;Button

android：id=\"@+id/button\"

android：layout_width=\"match_parent\"

android：layout_height=\"wrap_content\"

android：text=\"@string/登錄\"

android：textSize=\"@dimen/fontDefaultSize\"/gt;

在Android界面設(shè)計上，可以使用Android自帶的布局管理器，對多種組件進行管理。一般常見的布局管理器有縱向和橫向的線性布局、約束布局和表格布局等[11]。這套系統(tǒng)提供了多種布局風格選項供用戶選擇適合自己的那一套。系統(tǒng)界面主要包括用戶登錄主界面和查詢信息主界面兩個部分。Android后臺程序的編寫主要是在Java文件的各個活動中進行，每個活動都有對應的Java源代碼文件?？梢詫⑾鄳M件的事件處理函數(shù)編寫在這些源文件中，以達到響應各種操作的目的。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

4.1 硬件設(shè)備實現(xiàn)

每一個功能模塊的測試都是在系統(tǒng)軟硬件建立后進行的。圖6所示為硬件模塊的連接圖。完成硬件測試后，再進行軟件設(shè)置，最后再進行硬件與軟件的聯(lián)調(diào)測試。

4.2 可視化實現(xiàn)

上位機用于顯示、分析和處理下位機數(shù)據(jù)。打開上位機的應用程序，使用設(shè)置好的用戶名登錄，然后連接WiFi進行參數(shù)設(shè)置，主要包括收集周期。軟件端設(shè)置完成后，可以對溫度和濕度節(jié)點、光照度感應器節(jié)點以及PM2.5傳感器節(jié)點的IP和端口進行更多的修改，溫度和光照強度最大值可以設(shè)置，濕度最小值也可以設(shè)置。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的采樣周期，傳感器節(jié)點定期采樣；通過主控制器，將處理過的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)WiFi傳給上位機，并在上位機上進行顯示。如果大氣環(huán)境質(zhì)量超過設(shè)定的安全值，發(fā)出警報，則完成對環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。先利用傳感器對實驗室的外部環(huán)境參數(shù)進行測量，選擇與真實環(huán)境接近的預警值，從而達到便于試驗的目的。硬件系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，已經(jīng)可以正常運行，報警提示可以在軟件端進行。圖7所示為實驗測試結(jié)果。

5 結(jié) 語

利用WiFi與Android系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)，通過完成軟硬件設(shè)計，開發(fā)出一款用于監(jiān)測和采集環(huán)境信息的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用戶在Android手機終端能夠及時掌握空氣污染狀況并采取應對措施。不足之處在于本方案設(shè)計的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)僅是通過數(shù)據(jù)的搜集反映環(huán)境狀況，后期考慮可以加入網(wǎng)絡(luò)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

參考文獻

[1]周琳，于欣沛，蘇亞南.傳感器在大氣環(huán)境檢測中的應用[J].化工管理，2023，38（3）：60-63.

[2]杜英蓮.環(huán)境檢測在大氣污染治理中的影響和對策[J].皮革制作與環(huán)?？萍迹?022，3（22）：109-111.

[3]張劍.關(guān)于大氣環(huán)境監(jiān)測與質(zhì)量控制研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2020，38（7）：63-64.

[4]楊志民.面向大氣環(huán)境氣態(tài)污染物的高性能傳感器研制及其敏感特性研究[D]. 青島：中國石油大學（華東），2020.

[5]岳雪楠.大氣環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].天津：天津職業(yè)技術(shù)師范大學，2023.

[6]王晶，胡立夫，王德生.基于LoRa和四旋翼的大氣環(huán)境智能檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（20）：74-77.

[7]黃曉輝.大氣環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2018，36（9）：50.

[8]高瑞，雷文禮.倉儲火災預警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2020，28（3）：1-4.

[9]丁承君，宋賽，馮玉伯，等.基于無人機的立體大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（10）：62-65.

[10]郭慶源.基于物聯(lián)網(wǎng)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2019.

[11] 劉強強，馬苗立，翟寶蓉.基于LoRa的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].計量與測試技術(shù)，2018，45（5）：6-9.