肖 凡 馬婭婕 余 湧 萬 勇

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081)

0 引言

PM2.5 是指環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm 的顆粒物，也稱可入肺顆粒物。雖然PM2.5 只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響，已經成為空氣污染的罪魁禍首［1］。

在實際監(jiān)測工作中已有很多PM2.5 監(jiān)測系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使用ZigBee 節(jié)點和粉塵顆粒物傳感器組建的無線傳感器網絡作為監(jiān)測網絡，并通過GPRS 無線傳輸方式傳輸數(shù)據的PM2.5 監(jiān)測系統(tǒng)［2］。也有使用Arduino 單片機的系統(tǒng)，只是數(shù)據處理通過Raspberry Pi 傳輸?shù)結eelink 平臺［3］。隨著監(jiān)測項目的增多，監(jiān)測范圍的擴大及點位的密布，價格昂貴、實時性差、系統(tǒng)運行維護費用高等缺點逐漸表現(xiàn)出來。為了解決上述種種問題，本文提出了基于Arduino 和樂聯(lián)網的PM2.5 實時監(jiān)測的設計方案，方案具有很好的網絡拓展性能。

1 系統(tǒng)總體方案設計

PM2.5 實時監(jiān)測系統(tǒng)可以按照功能分為三部分:數(shù)據采集與傳輸、數(shù)據融合與分析［4］、數(shù)據查詢，如圖1 所示。

圖1 PM2.5 實時監(jiān)測系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of PM2.5 real-time monitoring system

數(shù)據采集與傳輸:是本系統(tǒng)中的底層硬件，這層包含了系統(tǒng)中所有的硬件管理，包括硬件的設計，硬件拓撲結構的布置，PM2.5 的采集、存儲及傳輸?shù)取８鱾€粉塵顆粒物傳感器進行監(jiān)測時，都會對相關信息進行記錄保存，這些信息最終會實時存入樂聯(lián)網平臺，用戶可以通過多種途徑登錄樂聯(lián)網查看實時的PM2.5 值。

數(shù)據融合與分析:是本系統(tǒng)中進行數(shù)據處理、分析的核心層。這層主要對下位機采集的數(shù)據進行管理，并在曲線圖中實時體現(xiàn)出來。同時，通過發(fā)送新浪微博或者微信的方式告知用戶，可以對下位機進行配置與管理等。

數(shù)據查詢:用戶只需要登錄樂聯(lián)網平臺，即可在用戶中心獲取需要的實時數(shù)據，根據已有的PM2.5 曲線圖直觀地了解最近一段時間PM2.5 的變化情況。

2 系統(tǒng)硬件設計

PM2.5 實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結構如圖2 所示，設計共分為3 個部分:Arduino Uno、Ethernet W5100 與Sharp GP2Y1010AU0F 傳感器組建的傳感器網絡、樂聯(lián)網平臺和遠程監(jiān)測用戶。系統(tǒng)中數(shù)據采集與傳輸部分即傳感器網絡，用于實現(xiàn)各個監(jiān)測點數(shù)據的采集、存儲，并將數(shù)據傳輸至樂聯(lián)網平臺;樂聯(lián)網平臺用于接收存儲、分析處理數(shù)據;遠程監(jiān)測用戶通過手機、計算機，可以訪問樂聯(lián)網平臺、新浪微博或微信，根據需求獲取相關數(shù)據。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖Fig.2 Structure of system hardware

2.1 傳感器網絡硬件設計

傳感器網絡由Sharp GP2Y1010AU0F 粉塵顆粒物傳感器監(jiān)測節(jié)點、Arduino Uno 單片機與Ethernet W5100 網絡控制模塊、路由器3 部分組成。其中第二部分是整個傳感器網絡的核心，負責管理運行整個傳感器網絡。

(1)傳感器監(jiān)測節(jié)點:GP2Y1010AU0F 是一種基于光學傳感系統(tǒng)的粉塵顆粒傳感器。在傳感器內部布置了一個紅外發(fā)光二極管和一個光電子躍遷材料晶體管。它能夠有效檢測非常細小的顆粒物，將濃度值轉換成脈沖電壓。傳感器內部電路結構如圖3 所示。

圖3 傳感器節(jié)點硬件結構圖Fig.3 Hardware structure of sensor node

其中:①號為V-LED，接5 V 電壓供電;②號為LED-GND，接地;③號為LED，接Arduino 數(shù)字I/O 口的2 端口;④號為S-GND，接地;④號為Vo，接Arduino模擬I/O 口的0 端口;⑥號為Vcc，接5 V 電壓供電。①～③號接口，主要是保證紅外發(fā)光二極管能夠正常工作;④～⑥號接口，主要是保證整個粉塵顆粒物傳感器能夠正常工作。

在整個PM2.5 實時監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器監(jiān)測節(jié)點主要負責采集所在地的實時PM2.5 值，按照網口傳輸協(xié)議發(fā)送給路由器，然后再由各子路由器匯總發(fā)送給總路由器。通過單片機給③號接口發(fā)送周期為10 ms的脈沖波，高電平時間在0.32 ms 左右。觸發(fā)紅外發(fā)光二極管工作發(fā)光，當顆粒物通過粉塵顆粒物傳感器時，光會產生折射、散射，在到達光電子躍遷材料晶體管時光強度會發(fā)生變化，然后轉換成變化的電壓值，通過這樣的工作原理反映顆粒物的濃度值［5］。

(2)單片機與網絡模塊:Arduino Uno 是一個開放源代碼的硬件項目平臺，該平臺包括一塊具備簡單I/O功能的電路板以及一套程序開發(fā)軟件［6］。在本系統(tǒng)中，將傳感器的3 號接口與Arduino 數(shù)字I/O 口的0 端口連接，通過單片機向LED 接口發(fā)送周期為10 ms的脈沖波。將傳感器的5 號接口與Arduino 模擬I/O口的2 端口連接，使得單片機接收來自傳感器的輸出脈沖電壓信號，并通過一定的函數(shù)關系將電壓值轉換成為對應的粉塵顆粒物濃度值即PM2. 5。Ethernet W5100 網絡擴展模塊只需要插入Arduino Uno 主控板的相應接口，就可以讀取Arduino 模擬I/O 口的2 端口數(shù)據。網絡擴展模塊上的RJ45 接口通過網線與無線路由器相連［7］，傳感器采集的數(shù)據就可以通過網口發(fā)送至樂聯(lián)網平臺。硬件結構如圖4 所示。

圖4 單片機與網絡模塊硬件結構圖Fig.4 Hardware structure of single chip computer and network module

(3)路由器:本系統(tǒng)采用多路無線路由器相連，即將總路由器的WAN 口連接貓，這個無線路由設定連接撥號并且充當所有連接的網關。其他所有的子路由通過LAN 口與總路由的LAN 口互聯(lián)。這樣可以將多個子路由連接到總路由，這些子路由的網關IP 要與總路由的網關IP 不一致?？偮酚傻木W關IP 為192.168.1.1，子路由可以依次設置為192.168.1.2 等。同時總路由設定IP 地址DHCP 獲取，子路由禁用DHCP［8］。任何地方無線連接時統(tǒng)一連接到總路由的網關，所有子路由全部當作局域網交換機及無線連接接收器使用。路由器結構如圖5 所示。

圖5 路由器結構圖Fig.5 Hardware structure of router

2.2 樂聯(lián)網平臺

樂聯(lián)網是一個迅速實現(xiàn)物聯(lián)網應用的平臺。不需要繁瑣的編程和開發(fā)就可以把測量設備或者傳感器連接到樂聯(lián)網應用平臺上，并在該平臺上存儲、查詢和分析測量數(shù)據。該平臺提供了網絡轉接功能模塊，可以讓所有測量設備都具備聯(lián)網功能，集中監(jiān)控和管理設備。同時方便用戶在網上或者手機APP 上查看所有測量設備的測量數(shù)據，實現(xiàn)遠程讀數(shù)。該平臺還提供數(shù)據查詢、分析、對比和警告提醒等基本功能，根據用戶的實際需求還可以定時發(fā)送新浪微博或者微信。本系統(tǒng)中直接在計算機上登錄樂聯(lián)網平臺，注冊、添加設備和傳感器之后就可以在網頁上查看PM2.5 的實時監(jiān)測值［9］。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計是整個系統(tǒng)設計的重要組成部分，粉塵顆粒物傳感器數(shù)據的采集、傳輸、分析和處理等功能都離不開軟件的支持，完善的軟件設計可以保證整個系統(tǒng)的正常運作。

系統(tǒng)程序設計主要采用Arduino 自帶的編程語言。該編程語言的語法與C/C + + 相類似，并且將Arduino 單片機相關的一些參數(shù)設置模塊化，包括EEPROM、Ethernet、步進電機、時鐘等程序庫，所以并不需要開發(fā)者考慮底層硬件的實現(xiàn)原理，可以提高程序開發(fā)的效率［10］。PM2.5 實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測端供電后，首先進行網絡及硬件的初始化，在使用DHCP對Ethernet 的連接配置成功后，使用HTTP 協(xié)議主動與樂聯(lián)網平臺的服務器建立連接。如果網絡連接不成功，并且最后一次的連接時間超過30 ms，那么立即重新與服務器建立連接。如果網絡連接成功，GP2Y1010AU0F 粉塵顆粒物傳感器開始采集環(huán)境中的PM2.5 濃度，并通過Ethernet W5100 網絡擴展模塊上的RJ45 接口將數(shù)據發(fā)送給服務器。數(shù)據發(fā)送成功后將繼續(xù)循環(huán)采集、發(fā)送數(shù)據，如果在數(shù)據發(fā)送過程中出現(xiàn)故障，可以選擇重啟系統(tǒng)。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Flowchart of system program

4 測試結果分析

粉塵顆粒物傳感器采集的數(shù)據，在上傳至樂聯(lián)網后會經過分析處理，與時間、地點等信息打包后在動態(tài)曲線上直觀地顯示出來。使用個人計算機登錄樂聯(lián)網或者在微信中關注樂聯(lián)網，就可以查看實時的PM2.5變化曲線，如圖7 所示。

圖7 測試結果Fig.7 Test results

本次測試只截取了2014 年6 月22 日11:30 ～21:00 青山區(qū)的PM2.5 歷史值，采集的單位時間間隔15 min。將測試結果與環(huán)境監(jiān)測總站更新的數(shù)據進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者顯示的PM2.5 的變化趨勢一致。相同時間對應的測量值非常近似，達到了預期的效果，能夠合理地體現(xiàn)一天中測量的PM2.5 的變化情況。用戶可以根據需要，查看自己所在地的PM2.5 濃度，合理地安排自己的出行。

5 結束語

經過實際的運行，本系統(tǒng)可以全天候地采集監(jiān)測終端所在地的PM2.5 濃度數(shù)據，并通過傳感器網絡和多路路由器互聯(lián)技術發(fā)送至樂聯(lián)網平臺，為環(huán)境中PM2.5 的監(jiān)測提供了一種低成本、穩(wěn)定、實時性好、網絡拓展性強的解決方案，具有良好的實用價值。隨著物聯(lián)網的逐漸普及、智能家居等新技術的興起，本系統(tǒng)的應用范圍也會更加廣泛。

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