摘要：基于WEB模式的空氣質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)，使用SO2﹑NO2﹑CO﹑O3氣體傳感器、細(xì)顆粒物（PM2.5） 傳感器，以STC12LE5A16S2單片機為核心控制器，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的指定服務(wù)器上，監(jiān)測結(jié)果以WEB形式呈現(xiàn)給用戶。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程全自動監(jiān)控，對當(dāng)前空氣質(zhì)量進(jìn)行評價，隨時隨地為用戶提供空氣質(zhì)量信息服務(wù)，可以為預(yù)測空氣質(zhì)量提供依據(jù)，實現(xiàn)了對空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、管理及分析。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；實時監(jiān)測；STC12LE5A16S2

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）02-0469-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.052

霧霾是臨時性大氣污染造成的，不易受控制，所以實時監(jiān)控設(shè)備對人們出行顯得特別重要。WEB空氣質(zhì)量實時監(jiān)測相比使用傳統(tǒng)的空氣采樣并利用化學(xué)方法計算濃度的測量時間少，也很方便[1]。WEB空氣質(zhì)量實時監(jiān)控是為企業(yè)和家庭用戶定制，將小范圍內(nèi)的空氣污染詳細(xì)數(shù)據(jù)提供給用戶，為用戶提供出行方案。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對空氣質(zhì)量參數(shù)，如PM2.5、CO、O3、NO2、SO2等參數(shù)遠(yuǎn)程自動監(jiān)測，并根據(jù)參數(shù)及近段時間空氣質(zhì)量信息，提出出行方案、健康提示。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

氣體傳感器將空氣污染物濃度信號傳到AD轉(zhuǎn)換芯片，AD轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機接收、分析、處理數(shù)字信號，再加密數(shù)據(jù)后傳輸給GPRS模塊，使用GPRS網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，將加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)并提取轉(zhuǎn)換實際有效的數(shù)據(jù)，寫入到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫存儲海量數(shù)據(jù)，為WEB前臺提供接口，WEB前臺調(diào)用指定數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

傳感器將采集的空氣各參數(shù)濃度值以電壓形式送往AD轉(zhuǎn)化芯片。AD轉(zhuǎn)化芯片將各個參數(shù)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以供中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，再加密。GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)往服務(wù)器端，以完成數(shù)據(jù)從采集到處理到發(fā)送的整個系統(tǒng)需求。整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 傳感器

SO2﹑NO2﹑CO﹑O3氣體的檢測分別使用了TGS-SO2﹑WSP1110﹑ME2-CO﹑MQ-131傳感器。MQ系列傳感器是在潔凈空氣中使用的電導(dǎo)率低的氣敏材料，其采用高低溫循環(huán)檢測的方式檢測氣體，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的氣體濃度增大而增大，轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。對于PM2.5的粉塵檢測使用了夏普粉塵傳感器 GP2Y1010AU，它發(fā)射一定頻率紅外光，借以粉塵對光的漫反射將紅外光反射到光敏二極管上，從而改變傳感器輸出的電壓，隨著粉塵的增多，輸出的電壓也成一定的比例增加。傳感器采集模塊采用簡單可靠的電路設(shè)計，空氣氣體中氣體濃度的變化改變著傳感器輸出的模擬電壓值，將模擬值送入模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片ADC7888，進(jìn)而進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理。傳感器的輸出電壓和空氣的氣體濃度成一定的比例關(guān)系，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、真實性提供有力的保障。傳感器設(shè)計電路如圖3所示。

2.2 GPRS模塊

傳輸模塊選擇了SIM900A的GPRS雙頻模塊，具有尺寸小、硬件接口多、功耗低、傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快、通信協(xié)議簡單等優(yōu)點，最重要的是其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更方便。GPRS模塊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸無地域限制、無時間限制、無信息量限制[2]。單片機通過串口和該模塊進(jìn)行通信，發(fā)送AT命令完成重要的信息通信，如模塊的開機、關(guān)機、信息的接收和發(fā)送等操作。

2.3 電源管理模塊

系統(tǒng)提供雙電源供電有效保障產(chǎn)品在突發(fā)事件的應(yīng)急性，并且設(shè)計三路穩(wěn)壓分別為各模塊供電，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源電路采用78M05、LM2940穩(wěn)壓芯片分別為傳感器和AD芯片及各部分電路供電。采用開關(guān)電源MIC29302為單片機和GPRS模塊供電。電源模塊設(shè)計電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)總的軟件由4個部分組成，分別為底層STC12LE控制程序、服務(wù)器數(shù)據(jù)接收程序、數(shù)據(jù)庫存儲程序、WEB前端顯示程序。底層STC12LE程序是用來控制采集數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上。服務(wù)器數(shù)據(jù)接收程序?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)上接收的數(shù)據(jù)解碼還原成真實的濃度值，并根據(jù)當(dāng)前的時間寫入到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫存儲程序主要是將數(shù)據(jù)快速的存儲到數(shù)據(jù)庫中，建立索引方便查找。WEB前端顯示程序根據(jù)用戶的請求顯示不同的數(shù)據(jù)。

3.1 底層STC12LE控制程序

底層STC12LE控制程序主要是監(jiān)測控制各個模塊的狀態(tài)，并將AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。首先程序進(jìn)行一系列的初始化，再檢查GPRS模塊是否連接到網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)品的編碼等待服務(wù)器回應(yīng)，將產(chǎn)品編碼后發(fā)送0x00，GPRS模塊將收到的0x00轉(zhuǎn)發(fā)到STC12LE串口2，STC12LE收到信息后表示響應(yīng)成功，接下來開始AD轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)器上。同時每隔10 min發(fā)送1次，直到用戶停止或者收到停止的信息停止發(fā)送數(shù)據(jù)。底層STC12LE控制程序見圖5。

3.2 服務(wù)器數(shù)據(jù)接收程序

數(shù)據(jù)接收程序是用VC6.0基于MFC編寫的，主要的功能是從網(wǎng)絡(luò)上的大量數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成真實的濃度，實時的寫入到數(shù)據(jù)庫中。該程序的主要技術(shù)有：界面編程、多線程、網(wǎng)絡(luò)編程、數(shù)據(jù)庫編程等。WIN32接收數(shù)據(jù)程序框圖見圖6。

3.3 數(shù)據(jù)庫存儲程序

Microsoft SQL Server 2005 是一個全面的數(shù)據(jù)庫平臺，使用集成的商業(yè)智能（BI）工具提供了企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理[3，4]。Microsoft SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫引擎為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲功能，可以構(gòu)建和管理用于業(yè)務(wù)的高可用和高性能的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。

3.4 WEB前端顯示程序

IIS是一種Web服務(wù)組件，其中包括Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、NNTP服務(wù)器和SMTP服務(wù)器，分別用于網(wǎng)頁瀏覽、文件傳輸、新聞服務(wù)和郵件發(fā)送等方面，它可以使得在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布信息成為一件很容易的事[5，6]。

4 實例應(yīng)用

表1為2014年10月15日測量一天的日均值實時顯示結(jié)果。由表1可以看出，其中PM2.5日均值是0.029 548 mg/m3，O3日均值 0.1 mg/m3，CO日均值是6.001 mg/m3，NO2的日均值是 0.080 445 mg/m3，SO2日均值是 0.050 099 mg/m3。

再根據(jù)我國城市空氣質(zhì)量日報API分級標(biāo)準(zhǔn)參考，空氣質(zhì)量指數(shù)AQI為55，空氣質(zhì)量良好。同時，測出當(dāng)天某一段時間內(nèi)可吸入顆粒物濃度的變化，可以看出變化量比較大。同樣在上位機上可預(yù)測到2014年11月10日西安空氣質(zhì)量指數(shù)AQI為87，為二級，空氣質(zhì)量良好。

5 小結(jié)

本研究設(shè)計了WEB空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了各個氣體傳感器將模擬空氣濃度模擬信號傳到AD轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機接收、分析、處理數(shù)字信號，再加密數(shù)據(jù)后傳給GPRS模塊，使用TCP/IP協(xié)議，將加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)并提取轉(zhuǎn)換實際有效的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器端是基于多線程網(wǎng)路數(shù)據(jù)庫的后臺程序，同時可以支持客戶訪問的連接、處理，并寫入到數(shù)據(jù)庫，為WEB前臺提供接口，WEB前臺調(diào)用指定數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并進(jìn)行直觀顯示。

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