余 湧，馬婭婕，肖 凡，程明月，趙 蕾

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

大氣環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的重要環(huán)境之一。隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，各種污染物的排放量不斷增加，導(dǎo)致空氣中有害氣體濃度超標(biāo)，這對(duì)人類的生存和發(fā)展造成了一定的威脅，空氣污染已經(jīng)成為當(dāng)下一個(gè)非常嚴(yán)峻的話題，人們開始更多地關(guān)注周邊的空氣質(zhì)量[1]。因此，建立一個(gè)完善的大氣污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也顯得刻不容緩。

當(dāng)今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，ZigBee技術(shù)作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，正有力地推動(dòng)著低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN的發(fā)展?；跓o線傳感器技術(shù)的多點(diǎn)、分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。本文基于ZigBee技術(shù)結(jié)合GPRS和Web技術(shù)設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中常見污染氣體的濃度信息，使得傳統(tǒng)的依靠人工定時(shí)、定點(diǎn)采樣記錄數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的工作模式演變成了自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測(cè)模式；同時(shí)裝置具有體積小，重量輕，功耗低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，為環(huán)保部門獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)處實(shí)時(shí)信息提供了理想解決方案。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端部分和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位機(jī)服務(wù)器組成?，F(xiàn)場檢測(cè)終端部分主要包括由常見污染物氣體傳感器、微處理器MCU和ZigBee核心板等組成的ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)模塊、路由器節(jié)點(diǎn)模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊、GPRS網(wǎng)關(guān)和供電系統(tǒng)等幾部分。由于氣體濃度變化通常不是很明顯，因此采用在某一個(gè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)分布式地布置多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)打包并遠(yuǎn)程發(fā)送到檢測(cè)中心的服務(wù)器。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)模塊需要分布式地布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域的不同地方，為便于移動(dòng)與安裝，模塊采用電池組供電，因此選用超低功耗的MSP430系列單片機(jī)作為終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理單元，并且設(shè)定模塊定時(shí)喚醒采集數(shù)據(jù)，其余時(shí)間為睡眠模式。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用B/S與C/S相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理和顯示。系統(tǒng)的總體工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體工作流程圖Fig.1 Overall system work flow chart

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分和GPRS網(wǎng)絡(luò)部分組成，以下是關(guān)于這兩部分的詳細(xì)介紹。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分

ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分主要由終端節(jié)點(diǎn)模塊、路由器節(jié)點(diǎn)模塊和唯一的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊組成。其中終端節(jié)點(diǎn)由CO傳感器、NO傳感器、NO2傳感器、SO2傳感器、O3傳感器，微控制器（MCU）和無線射頻收發(fā)模塊等組成，整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)由電池組供電，工作周期內(nèi)無需其它能源補(bǔ)給。該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Terminal node structure

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)中，傳感器作為從機(jī)，通過RS-485總線接口與微處理器組成簡單高效的通信網(wǎng)絡(luò)，單片機(jī)部分采用TI公司最新推出的高性能、低功耗的16位MSP430系列單片機(jī)MSP430G2553，該單片機(jī)具有16 MHz主頻，內(nèi)置2個(gè)16 bit TimerA模塊以及硬件看門狗等，可以在不到1 μs的時(shí)間里從待機(jī)模式超快速的喚醒。MSP430G2553工作在1.8 V～3.6 V的低電壓范圍內(nèi)，且具有5種低功耗運(yùn)行模式[3]，超低功耗的工作特性為電池供電測(cè)量應(yīng)用提供了最終解決方案。把單片機(jī)作為終端節(jié)點(diǎn)的控制核心的目的是控制終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理等功能。MSP430G2553片上的USCI_A模塊能夠?qū)崿F(xiàn)UART功能，支持雙緩沖接收/發(fā)送和自動(dòng)波特率監(jiān)控，通過USUI模塊內(nèi)置的2個(gè)調(diào)制器UCBRSx和UCBRFx，采用BITCLK6進(jìn)行RX采樣，能夠得到非常精準(zhǔn)的波特率，單片機(jī)利用這個(gè)UART口實(shí)現(xiàn)向ZigBee核心板發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。此外，由于傳感器需要與單片機(jī)之間通過RS-485總線進(jìn)行通信，這里利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器模塊的比較捕捉功能模擬出一個(gè)虛擬的UART口，利用其捕獲功能捕捉起始位的變化，并借助比較器不斷地將CCRx的設(shè)定值與定時(shí)器的計(jì)數(shù)值做比較，當(dāng)兩者相等時(shí)即產(chǎn)生中斷，獲得精確的時(shí)間間隔。對(duì)CCRx寄存器中定時(shí)間隔做相應(yīng)的設(shè)置可以得到誤差極小的通信波特率，從而完成UART口的擴(kuò)展。

為了滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間的精確記錄要求，在終端節(jié)點(diǎn)中增加了內(nèi)置高精度時(shí)鐘調(diào)整功能的高精度串行時(shí)鐘芯片SD2400，該芯片內(nèi)置高精度時(shí)鐘調(diào)整功能，無需人工校時(shí)，確保終端節(jié)點(diǎn)可以在多種環(huán)境下長期可靠的工作。

2.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)部分

GPRS網(wǎng)絡(luò)部分主要由 SIM900A模塊、MSP 430G2553微處理器、E2PROM芯片和電源部分組成。該部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 GPRS網(wǎng)絡(luò)部分Fig.3 GPRS network

GPRS模塊選用SIMcom公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)雙頻模塊SIM900A，由于該型號(hào)模塊內(nèi)部集成有TCP/IP協(xié)議棧[4]，可以通過單片機(jī)發(fā)送AT指令來控制模塊將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送。SIM900A模塊的工作電壓為3.8 V，當(dāng)模塊以最大功率發(fā)射時(shí)，供電電流的峰值能達(dá)到2A[4]，為了避免由此造成的電壓跌落而導(dǎo)致模塊出現(xiàn)重啟等異常狀況，在模塊的電源輸入端采用可調(diào)輸出型開關(guān)穩(wěn)壓芯片，這里選用LM2596芯片作為穩(wěn)壓芯片，可以輸出小于37 V的各種電壓，輸出電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可以輸出的瞬間最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到3 A，且具有較強(qiáng)的抵抗電壓跌落的能力，完全滿足該電路的設(shè)計(jì)要求，通過在電壓輸出端口并聯(lián)多個(gè)470 μF的大電容，來進(jìn)一步保證電壓輸出端口得到穩(wěn)定的電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分：一部分是基于IAR開發(fā)環(huán)境的單片機(jī)控制程序的編寫，用于控制監(jiān)測(cè)設(shè)備完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理；另一部分是基于VS開發(fā)環(huán)境下的C#語言編寫的上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)[5]，基于Web網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問和數(shù)據(jù)的圖形化顯示。

3.1 單片機(jī)控制程序

單片機(jī)控制程序主要采用C語言來編寫，作為數(shù)據(jù)采集部分以及數(shù)據(jù)傳送部分的控制核心，單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的好壞決定了整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。該部分程序主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的傳送部分，程序可以按照以下流程來進(jìn)行設(shè)計(jì)：系統(tǒng)初始化、啟動(dòng)Zig-Bee協(xié)調(diào)器并等待直到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、GPRS網(wǎng)絡(luò)的建立、數(shù)據(jù)的傳輸與控制。本文主要介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作流程以及與GPRS模塊相關(guān)的程序設(shè)計(jì)，這兩部分實(shí)現(xiàn)的主要功能包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建過程以及GPRS模塊的初始化操作、GPRS數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的操作。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立過程為先啟動(dòng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后依次啟動(dòng)路由器節(jié)點(diǎn)模塊和終端節(jié)點(diǎn)模塊，組網(wǎng)成功后就可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)管理其它節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)按預(yù)先設(shè)定好的格式通過路由器節(jié)點(diǎn)后傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與MSP430G2553單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該部分的具體流程如圖4所示。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建流程Fig.4 ZigBee network forming process

GPRS模塊開機(jī)初始化后將會(huì)與監(jiān)控中心服務(wù)器建立連接，連接成功后就可以按預(yù)先設(shè)定好的格式傳送GPRS數(shù)據(jù)包。MSP430G2553單片機(jī)通過UART口向SIM900A模塊發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊執(zhí)行各項(xiàng)操作，模塊每執(zhí)行一條AT指令，均會(huì)向單片機(jī)回復(fù)一段返回值，單片機(jī)可以根據(jù)GPRS模塊的返回信息判斷其工作情況。該部分程序流程圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)Fig.5 Gateway node software design

3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控中心系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用基于面向TCP/IP協(xié)議和Socket通信機(jī)制的C/S結(jié)構(gòu)，采用VS作為開發(fā)工具，具有功能強(qiáng)大、靈活高效等優(yōu)點(diǎn)。為了后期查詢數(shù)據(jù)的方便，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心軟件主要實(shí)現(xiàn)3部分的功能：（1）基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；（2）通過網(wǎng)頁對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示；（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢與導(dǎo)出，為監(jiān)測(cè)人員分析檢測(cè)區(qū)域空氣質(zhì)量變化的規(guī)律提供方便。監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面Fig.6 Host computer monitoring interface

4 提高系統(tǒng)可靠性的措施

由于本系統(tǒng)需要長期工作在無人值守的環(huán)境中，因此確保系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性就顯得尤為重要。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就采取了多種措施來提高系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中引入多種自檢機(jī)制來應(yīng)對(duì)各方面可能出現(xiàn)的問題。

在電路設(shè)計(jì)上與布局上，采取多種防護(hù)措施對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。包括采用超低功耗單片機(jī)結(jié)合定時(shí)喚醒機(jī)制嚴(yán)格控制終端節(jié)點(diǎn)的耗電量，同時(shí)在對(duì)PCB板布局和走線時(shí)，盡量縮短敏感回路，盡可能的采用全直線、減少彎折并做敷銅處理，確保GPRS模塊和其它敏感元器件可以穩(wěn)定、可靠的工作。

可能影響系統(tǒng)正常工作的因素有：GPRS模塊在長時(shí)間無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)導(dǎo)致模塊自動(dòng)下線，這里主要采用心跳包機(jī)制和狀態(tài)自檢與自恢復(fù)機(jī)制來提高模塊工作過程的穩(wěn)定性[5]。

GPRS模塊采用PPP協(xié)議與GGSN進(jìn)行握手來連接到Internet，當(dāng)模塊一段時(shí)間不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，GGSN會(huì)自動(dòng)斷開模塊的網(wǎng)絡(luò)連接以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)信道資源，這會(huì)導(dǎo)致GPRS模塊重新連接服務(wù)器時(shí)其模塊的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)生改變。為了避免由此造成的網(wǎng)絡(luò)連接中斷，設(shè)定系統(tǒng)每2 min向監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器發(fā)送一小段固定格式的心跳信息，確保模塊長期在線。針對(duì)可能造成GPRS網(wǎng)絡(luò)鏈路斷開的外部干擾，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)自檢機(jī)制，定期向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送狀態(tài)檢測(cè)信息，若重復(fù)發(fā)送若干次仍未收到應(yīng)答信息，則可以判定GPRS模塊已經(jīng)掉線，然后通過AT指令重啟模塊并重新建立連接。此外，采用MSP430單片機(jī)內(nèi)部自帶的看門狗機(jī)制解決系統(tǒng)死機(jī)、假在線等問題，一旦單片機(jī)沒有正常接收GPRS模塊回復(fù)的信息，則立即通過控制GPRS模塊的RESET引腳重啟模塊并重新建立網(wǎng)絡(luò)連接。

5 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，基于ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了無人值守環(huán)境下的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常警告等功能，與傳統(tǒng)的依靠人工定時(shí)、定點(diǎn)巡查與測(cè)量數(shù)據(jù)的方法相比，極大地降低了人員的工作量，并能有效降低系統(tǒng)維護(hù)管理成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行起來安全、可靠、穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于各類無人值守的遠(yuǎn)程智能檢測(cè)系統(tǒng)，有較好的應(yīng)用前景。

[1]國家自然科學(xué)基金委員會(huì)，中國科學(xué)院學(xué)部.未來10年中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略：資源與環(huán)境科學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2]王小強(qiáng)，歐陽駿，黃寧，等.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]沈建華，楊艷琴.MSP430超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[4]芯訊通無線科技（上海）有限公司.GPRS無線模塊SIM900A硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)（技術(shù)白皮書）[Z]，2010.

[5]王奇武，周鳳星，嚴(yán)?？?高壓線塔塔基穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（3）：135-138.

發(fā)改委再推六大新興產(chǎn)業(yè)工程包

繼七大工程包、六大消費(fèi)領(lǐng)域之后，發(fā)改委再出大招，表示將組織實(shí)施新興產(chǎn)業(yè)重大工程包。國家發(fā)改委日前表示，將組織實(shí)施戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重大工程包。2015~2017年，重點(diǎn)開展信息消費(fèi)、新型健康技術(shù)惠民、海洋工程裝備、高技術(shù)服務(wù)業(yè)培育發(fā)展、高性能集成電路及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力等六大工程建設(shè)。

國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于實(shí)施新興產(chǎn)業(yè)重大工程包的通知》，提出將通過政策引導(dǎo)和適當(dāng)?shù)耐顿Y支持，探索政府支持企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新的新機(jī)制，增強(qiáng)發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、新興業(yè)態(tài)的動(dòng)力，拓展新的投資領(lǐng)域，釋放消費(fèi)需求潛力，形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

《通知》提出，要充分發(fā)揮政府資金的引導(dǎo)作用，引導(dǎo)和帶動(dòng)更多社會(huì)資本特別是民間資本參與工程建設(shè)。有關(guān)部門和地方要認(rèn)真落實(shí)鼓勵(lì)社會(huì)投資的有關(guān)政策，積極探索政府資金與信貸、債券、基金、保險(xiǎn)等相結(jié)合的多種融資組合，有效擴(kuò)大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的社會(huì)投資。在資金安排方式上，針對(duì)不同工程的特點(diǎn)，采取后補(bǔ)助等形式，提高資金使用效益。

在信息消費(fèi)工程領(lǐng)域，一是開展重點(diǎn)領(lǐng)域民生服務(wù)示范應(yīng)用，創(chuàng)新公共服務(wù)供給模式，增強(qiáng)民生服務(wù)供給能力，釋放民生信息消費(fèi)需求、有效提升公共服務(wù)均等普惠水平。二是推進(jìn)衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航的綜合應(yīng)用以及衛(wèi)星與其他信息技術(shù)和服務(wù)的融合應(yīng)用，發(fā)揮我國空間基礎(chǔ)設(shè)施輻射帶動(dòng)作用，推動(dòng)衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展和市場化、規(guī)模化發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展提供有力支撐。三是開展重點(diǎn)領(lǐng)域信息安全示范應(yīng)用，提高我國關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全綜合保障能力和水平，提升重要信息系統(tǒng)安全可控能力。

在高性能集成電路工程領(lǐng)域，將面向重大信息化應(yīng)用、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國家信息安全保障等重大需求，著力提升先進(jìn)工藝水平、設(shè)計(jì)業(yè)集中度和產(chǎn)業(yè)鏈配套能力，選擇技術(shù)較為成熟、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，應(yīng)用潛力廣的領(lǐng)域，加快高性能集成電路產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。通過工程實(shí)施，推動(dòng)重點(diǎn)集成電路產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化水平進(jìn)一步提升，移動(dòng)智能終端、網(wǎng)絡(luò)通信、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等重點(diǎn)領(lǐng)域集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，設(shè)計(jì)業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度顯著提升。 來源：中國工業(yè)報(bào)