江鳳蓮，魏龍華，李松潘

（福建龍巖學(xué)院，福建 龍巖 364012）

1 引言

我國的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，基本上是從上世紀(jì)八十年代開始，與發(fā)達(dá)國家相比起步較晚.近年來，國家對空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)的建設(shè)日趨重視，部分省、市與重點(diǎn)城市開展了聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量檢測工作，但是仍然存在很大的局限性[1]，如氣象局每天所發(fā)布城市空氣質(zhì)量指數(shù)，只能總體上描述一個城市的整體空氣質(zhì)量，然而實際情況中，市區(qū)和郊區(qū)、同一城市的不同區(qū)域的空氣質(zhì)量是有區(qū)別的.同時，各大城市呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)體檢異常率上升明顯.主要是由于空氣中可吸入顆粒物污染導(dǎo)致，43%的城市居民表示曾出現(xiàn)心悸、疲勞、暈眩、呼吸困難等心血管系統(tǒng)異常癥狀.當(dāng)前，“霧霾”已經(jīng)引起廣大市民的極大關(guān)注，而對于空氣質(zhì)量，人們最為關(guān)心的就是PM2.5值.因為霧霾具有流動性，導(dǎo)致同一城市的不同地區(qū)PM2.5值也不同，甚至室內(nèi)和室外的值也是不同的.這就迫切需要一個能實時實地監(jiān)測空氣質(zhì)量的設(shè)備，使人們在出行時對空氣質(zhì)量判斷有個更精準(zhǔn)的依據(jù).運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與微信平臺建立空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效地監(jiān)測空氣中各項質(zhì)量指標(biāo)，并通過各個采集站點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總做出有效預(yù)測.而微信用戶在關(guān)注系統(tǒng)微信公眾賬號后，即可訪問從分布式監(jiān)測點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù).

基于微信公眾平臺的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測空氣質(zhì)量，甚至每分鐘都會給用戶一個值，這個值能反映前5分鐘的空氣質(zhì)量狀況.因此，開發(fā)本系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]，無線組網(wǎng)技術(shù)[3]等，通過空氣質(zhì)量智能分析平臺來實現(xiàn)對龍巖市區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測、分析和報警提示.在不同區(qū)域安裝若干個低功耗的空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊，安全節(jié)能，可同時檢測PM2.5、空氣溫濕度等指標(biāo).能夠大大地提高環(huán)境監(jiān)管和保護(hù)的效率.

2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4]組成，感知層的主要功能是通過傳感器節(jié)點(diǎn)等感知設(shè)備，獲取環(huán)境監(jiān)測的相關(guān)信息，如溫度、濕度、可燃?xì)怏w等.通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個自治網(wǎng)絡(luò)，采用協(xié)同工作的方式，提取有用的信息，并通過接入設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)中的其它設(shè)備實現(xiàn)資源共享和交流互通.網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是將來自感知層的信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)中,通過學(xué)習(xí)以IPV6/IPV4為核心建立的互聯(lián)網(wǎng)平臺,將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息資源整合成一個可能互聯(lián)互通的大型智能網(wǎng)絡(luò),為上層服務(wù)管理和大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用建立一個高效、可靠、可信的基礎(chǔ)設(shè)施平臺，通過大型的中心計算機(jī)平臺，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測獲取的海量信息進(jìn)行實時的管理和控制，并為上層應(yīng)用提供一個良好的用戶接口.應(yīng)用層的主要功能是集成系統(tǒng)底層的功能，構(gòu)建起面向環(huán)境監(jiān)測行業(yè)實際應(yīng)用，從而達(dá)到實時監(jiān)測、預(yù)警等功能[5].系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分采用基于S3C2440處理器的ARM開發(fā)板，具有低功耗性能且具有射頻無線收發(fā)器的功能.通過處理器內(nèi)部封裝的無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器端，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、有害氣體、粉塵顆粒溶濃度的實時檢測.主要包括三個部分：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器端，用戶端.通過無線路由器將三者連接；監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分為室內(nèi)節(jié)點(diǎn)和室外節(jié)點(diǎn)，通過路由器將節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器連接起來，理論上，一個網(wǎng)段可以支持256個節(jié)點(diǎn)，室內(nèi)節(jié)點(diǎn)安裝在小區(qū)的室內(nèi)，用來監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境狀況，有溫度，濕度，可燃?xì)怏w（防止煤氣泄漏導(dǎo)致火災(zāi)及中毒），而室外節(jié)點(diǎn)則監(jiān)測小區(qū)周圍的環(huán)境，有pm2.5，溫度，濕度.微信用戶在關(guān)注系統(tǒng)微信公眾賬號后，即可訪問從分布式監(jiān)測點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù).

3.1 分布式監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

組成：采用Mini2440開發(fā)板，接有USB無線網(wǎng)卡，溫度傳感器ds18b20,濕度傳感器DHT11，MQ-2煙霧氣敏傳感器，PM2.5粉塵傳感器和步進(jìn)馬達(dá)(模擬窗戶控制)組成.室內(nèi)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 室內(nèi)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

實現(xiàn)功能：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能夠從各種傳感器中讀取當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務(wù)器.室內(nèi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是對溫度，濕度，可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測，而室外節(jié)點(diǎn)則監(jiān)測pm2.5，溫度，濕度.室內(nèi)的窗戶可以受用戶遠(yuǎn)程控制，即室內(nèi)的窗戶會通過室外pm2.5的濃度自動開關(guān).

3.2 本地服務(wù)器

實現(xiàn)功能：服務(wù)器主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和處理的樞紐，服務(wù)器將傳感器收集到的信息進(jìn)行處理，將結(jié)果發(fā)送至新浪云服務(wù)器.

3.3 微信和新浪云

實現(xiàn)功能：新浪云服務(wù)器保存著從本地服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)，等待微信公眾平臺訪問.

4 具體實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)工作流圖

4.2 監(jiān)測端工作流程

監(jiān)測端采用多傳感器信息融合算法[6]，對于溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器等多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步判斷空氣質(zhì)量，在參照行業(yè)準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合與使用，從而獲得對空氣質(zhì)量的描述和評估，進(jìn)一步依據(jù)相應(yīng)結(jié)果作出相應(yīng)的決策與估計（如是否關(guān)閉窗戶等）.監(jiān)測端工作流程如圖4所示.

4.3 服務(wù)器端工作流程

服務(wù)器端分為本地服務(wù)器和新浪云服務(wù)器，本地服務(wù)器將區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所采集到各項數(shù)據(jù)與參數(shù)進(jìn)行處理、分析與存儲等工作，從而實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實時檢測，同時將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送至新浪云服務(wù)器.新浪云服務(wù)器保存著從本地服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)，隨時隨地等待微信公眾平臺訪問.這樣，無論是在家里、辦公室還是出差外地，用戶均可簡單方便地了解區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量.服務(wù)器工作流圖如圖5所示.

圖4 監(jiān)測端工作流程

圖5 服務(wù)器端工作流程

5 本系統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)

系統(tǒng)與微信結(jié)合 分布式數(shù)據(jù)采集 低成本 穩(wěn)定性 實用性 安全性使用目前國內(nèi)較少的物聯(lián)網(wǎng)與騰訊微信公眾平臺的結(jié)合模式，使得用戶操作簡單，高效而且易于推廣系統(tǒng)采集多個分布在不同地區(qū)的傳感器數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行統(tǒng)計分析本系統(tǒng)使用到了新浪云SAE和騰訊微信公眾平臺，這些服務(wù)的費(fèi)用低廉，大大降低了系統(tǒng)成本為了防止傳感器偶爾的數(shù)據(jù)錯誤和短暫的外界干擾，系統(tǒng)采用特定的容錯算法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)可將監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)對外共享，方便周圍其他用戶了解環(huán)境系統(tǒng)對不同的權(quán)限的用戶有著嚴(yán)格的權(quán)限控制，保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全

6 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)實現(xiàn)了區(qū)域化環(huán)境監(jiān)測，授權(quán)用戶可以通過微信遠(yuǎn)程操縱嵌入式系統(tǒng).整個系統(tǒng)的成本較低，安裝維護(hù)簡單，用戶只需有微信號就可以監(jiān)測各區(qū)域（如小區(qū)、車站和個體戶區(qū)域等）的空氣質(zhì)量.同時也可方便地為其它有需求的用戶提供數(shù)據(jù)參考.

〔1〕郭曉雷.城市空氣質(zhì)量預(yù)報方法研究綜述[J].科技傳播，2011（15）:14-17.

〔2〕馬寅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012(8):78-80.

〔3〕梁子君.宋志宏,張博,等.基于無線組網(wǎng)技術(shù)的交通信息采集集方法研究 [J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011(12):39-41.

〔4〕孫其博,劉杰,黎羲,等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2012,33(3):1-9.

〔5〕劉強(qiáng),崔莉,陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計算機(jī)科學(xué),2010,6(6):10-11.

〔6〕馬曼,程鉛,陳慧，等.基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)[J].電子器件,2013,8(4):556-557.