張高敏 王飛飛 周志青

摘 要： 合理規(guī)劃城鎮(zhèn)道路，減少汽車尾氣污染成為城市規(guī)劃建設的重要環(huán)節(jié)。為了定量統(tǒng)計汽車尾氣對城市空氣污染程度，實時監(jiān)測城市道路周邊空氣質量變化情況，提出一種基于WiFi城市道路空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)。通過在道路沿線設置多個無線監(jiān)測節(jié)點采集空氣污染物數(shù)據(jù)，經無線網(wǎng)絡傳輸至中心服務器，為城鎮(zhèn)道路規(guī)劃決策的合理性提供理論依據(jù)。實驗結果表明，空氣污染物監(jiān)測結果穩(wěn)定可靠，可較好地應用于城市道路空氣污染物的檢測。

關鍵詞： 定量統(tǒng)計； 空氣質量； 道路規(guī)劃； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TN926?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0076?04

Design of WiFi?based real?time monitoring system for air quality

ZHANG Gaomin， WANG Feifei， ZHOU Zhiqing

（College of Computer Science and Technology， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： Planning the roads reasonably and reducing pollution from car exhaust have become an important part of the urban planning and construction. In order to conduct quantitative statistics for the level of air pollution from motor exhaust and real?time monitoring for the change of the air quality around city roads， a WiFi?based real?time monitoring system for air pollution around city roads is put forward. A number of wireless monitoring nodes are set up to collect air pollutant data along the roads， and transmit the data to central server， which provide a theoretical basis for decision?making of urban road planning. The experimental results show that the air pollutant monitoring result is stable and reliable， and can be better used to detect air pollutants around urban roads.

Keyword： quantitative statistics； air quality； road planning； data acquisition

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化改造規(guī)模的加大，城鎮(zhèn)市區(qū)機動車保有量持續(xù)上漲，不可避免地造成交通排放廢氣量的增加，連同生活和工業(yè)污染，使環(huán)境空氣質量不斷下降[1]。這些問題如果不能引起足夠重視，就可能導致空氣質量的進一步惡化，直接影響我國經濟的可持續(xù)發(fā)展[2]，2015年1月1日實施的新《環(huán)境保護法》也明確要求國家建立、健全環(huán)境監(jiān)測制度。

機動車尾氣排放對城市空氣質量的影響逐漸引起決策者的重視。根據(jù)經濟可持續(xù)發(fā)展的要求，他們在強化城市環(huán)境管理、科學制定環(huán)保法規(guī)和城市整體規(guī)劃，提高政府對大氣污染事故的應急處理能力等方面都制定了相應法規(guī)。從加強公眾監(jiān)督，提高環(huán)保意識，推動環(huán)?？蒲械确矫娴目紤]，還需要環(huán)保監(jiān)測部門提供大量準確可靠和連續(xù)及時的環(huán)境監(jiān)測依據(jù)。目前，各個大中城市都按照國家要求在市區(qū)內多個區(qū)域建立空氣監(jiān)測站，但受限于地方經濟發(fā)展，監(jiān)測站點資金投入，城市空氣環(huán)境監(jiān)測整體布局還存在眾多不足之處[3]。許多城市在環(huán)境空氣質量必測項目的監(jiān)測上，還存在人工采樣、送樣、實驗室分析的監(jiān)測方法[4]，不僅費工、費時，且樣品捕獲率低、分析時間長、數(shù)據(jù)上報慢和信息量少，其監(jiān)測結果不能很好地反映出城市環(huán)境空氣污染在空間和時間上的變化現(xiàn)狀和規(guī)律，對城市環(huán)境空氣中主要污染物的擴散趨勢及影響不能做出連續(xù)的判斷，從而影響了城市環(huán)境管理水平的提高。特別是隨著各種環(huán)境污染源的不斷增加和污染事故的不斷發(fā)生，有些城市環(huán)境空氣污染在某些方面惡化趨勢已初露端倪。

1 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

為了降低系統(tǒng)成本，提高其通用性和擴展性，城市道路空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)采用樹形無線組網(wǎng)結構組成一個無線傳感網(wǎng)。樹的每一個葉子節(jié)點連接一個數(shù)據(jù)采集終端，通過無線網(wǎng)絡逐級匯聚到匯聚路由節(jié)點，最后把匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鞣治龃鎯5]。監(jiān)測的空氣質量參數(shù)主要有溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等，通過抽氣風機與對應監(jiān)測的傳感器、排氣口等組成采樣系統(tǒng)，使終端節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集和無線傳輸功能，具體結構如圖1所示。

（1） 傳感采集節(jié)點包含多個空氣質量污染物定量檢測傳感器，對其覆蓋區(qū)域內的檢測數(shù)據(jù)進行實時采集，并把這些數(shù)據(jù)通過I/O口發(fā)送到單片機，單片機經過編碼協(xié)議后通過串口轉WiFi無線通信模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點。

（2） 中繼節(jié)點作為數(shù)據(jù)中轉設備，把其配置為STA+AP模式，把接收到下級串口轉WiFi無線通信模塊的數(shù)據(jù)轉發(fā)到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點同樣配置為STA+AP模式。

（3） 匯聚節(jié)點之后接路由器，使數(shù)據(jù)處理服務器能夠通過TCP/IP協(xié)議解析出傳感采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)按協(xié)議解碼，得到實時定量的空氣污染物指數(shù)并存儲到數(shù)據(jù)庫中，實時分析、報告預警和遠程控制，供顯示終端實時查看當前數(shù)據(jù)或以往數(shù)據(jù)。

（4） 控制中心可以通過設置數(shù)據(jù)處理服務器與Internet網(wǎng)絡，使外部網(wǎng)絡也能夠訪問到監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)整體設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

2.1.1 傳感器采集硬件設計

傳感器采集節(jié)點是空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，該節(jié)點使用高靈敏度電化學傳感器，包含溫濕度傳感器，集成的CO，NO2，SO2的傳感器模塊，PM2.5和PM10傳感器模塊等。溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度模塊，工作電壓為3.3～5 V，數(shù)字量輸出，可以直接連到單片機的一個I/O口上；MQ?7一氧化碳傳感器模塊模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高，通過A/D轉換器后送給單片機；SO2傳感器采用高性能的2SH12半導體傳感器，該傳感器廣泛應用于工業(yè)中SO2氣體的檢測，對SO2有很好的選擇性；粉塵顆粒檢測選擇GP2Y1010AU0F型號的傳感器，2 400 b/s的波特率串口輸出。組成空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理發(fā)送單元的結構如圖2所示。

2.1.2 單片機與WiFi通信設計

C8051F340使用Silicon Labs的專利CIP?51微控制器內核，與MCS?51TM指令集完全兼容。CIP?51內核具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數(shù)器/定時器、2個具有擴展波特率配置的全雙工UART、1個增強型SPI端口、多達4 352 B的內部RAM、128 B特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達40個I/O引腳。

數(shù)據(jù)發(fā)送采用小尺寸低功耗USR?WIFI232?T模塊，支持IEEE 802.11 b/g/n無線標準，無線網(wǎng)絡類型可配置為STA/AP/STA+AP，可以采用WEP/WPA?PSK/WPA2?PSK方式進行加密。該模塊硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器，提供一種將用戶的物理設備連接到WiFi無線網(wǎng)絡通信方法。幫助用戶實現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)報的雙向透明轉發(fā)，用戶不必關心具體實現(xiàn)細節(jié)，在模塊內部完成協(xié)議轉換。串口一側的數(shù)據(jù)透明傳輸，WiFi一側采用TCP/IP數(shù)據(jù)包，通過簡單設置即可指定工作細節(jié)。模塊的網(wǎng)絡配置可以通過模塊內置網(wǎng)頁進行，也可以通過串口使用AT指令進行，一次設置可永久保存。C8051F340和USR?WIFI232?T的硬件電路接口如圖3所示。

2.1.3 中繼節(jié)點和匯聚節(jié)點設計

在整個空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)中，中繼節(jié)點和匯聚節(jié)點起承上啟下的作用。中繼節(jié)點和匯聚節(jié)點可以采用工業(yè)路由器配置為STA+AP模式來收集各個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)進行融合，最后通過TCP/IP協(xié)議進入到監(jiān)控中心的服務器。在監(jiān)控系統(tǒng)中主要采用有人的USR?WIFI232?T型的串口轉WiFi模塊和華為榮耀路由分別作為采集節(jié)點發(fā)送方和中繼匯聚節(jié)點的轉發(fā)接收方。

圖3 單片機和WiFi硬件電路圖

2.2 軟件系統(tǒng)設計

2.2.1 網(wǎng)絡通信配置

傳感采集節(jié)點上電后首先進行系統(tǒng)初始化，把自身作為一個STA節(jié)點，搜索設定好的AP匯聚節(jié)點并接入。WiFi無線網(wǎng)絡是本系統(tǒng)的核心部分，為防止網(wǎng)絡連接出現(xiàn)問題，特意在傳感器節(jié)點設置心跳包。一方面服務器端通過定時廣播地址查詢網(wǎng)絡中的各個傳感采集節(jié)點，來檢測服務器控制端、匯聚節(jié)點和傳感采集節(jié)點之間的雙向通行狀態(tài)；另一方面通過傳感采集節(jié)點自身設置的定時計數(shù)器來檢測自身與匯聚節(jié)點之間的網(wǎng)絡連接情況。通過兩方面考慮來保證數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目煽啃浴鞲胁杉?jié)點的程序流程圖如圖4所示。

2.2.2 監(jiān)控終端軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計主要包括網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)庫存儲兩部分[6]，在接收WiFi網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的基礎上實現(xiàn)?？紤]到系統(tǒng)的實用性和擴展性，軟件設計選用基于Socket通信協(xié)議和SQL數(shù)據(jù)庫[7]。 監(jiān)控管理人員通過監(jiān)控終端管理軟件，可以實時刷新數(shù)據(jù)，設定終端自動上傳數(shù)據(jù)的頻率，對空氣檢測指數(shù)生成日報表、月報表等，便于工作人員操作分析和管理。

軟件還具有報警監(jiān)控功能，可以自主對報警參數(shù)進行設置，方便用戶根據(jù)實際需要靈活設定每個監(jiān)控點的任何一個監(jiān)控指標的報警參數(shù)。系統(tǒng)自動完成對監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù)的上報和自動提示功能，并將各種報警項目自動寫入系統(tǒng)日志，在高度污染情況下界面上的報警區(qū)域由一般的綠色變?yōu)閳缶募t色或黃色，為之后采取相應治理措施提供依據(jù)。空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件的設計流程圖如圖5所示。

3 測試結果及分析

實驗測試選擇平頂山市建設路和凌云路交叉口，在交叉口的四個交通信號燈燈柱上距離地面50 cm處分別設置一個傳感采集節(jié)點，每一個節(jié)點都有固定的ID號來區(qū)分不同節(jié)點的數(shù)據(jù)。

將各個節(jié)點監(jiān)測的溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等數(shù)據(jù)通過WiFi網(wǎng)傳入數(shù)據(jù)中心進行匯總分析并處理，處理結果如表1所示。

本次實驗采用GY3000型便攜式煙氣分析儀作為參考值，實驗數(shù)據(jù)的采集時間為16：00，受風向、風速的影響，各個監(jiān)測點采集數(shù)據(jù)略有差異，但實驗結果誤差較小，基本符合監(jiān)測要求。

4 結 語

通過大量測試工作，本文的空氣質量實時監(jiān)測系統(tǒng)具備濃度監(jiān)測與報警功能，既可以用于監(jiān)測空氣中溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等數(shù)據(jù)，還可以進一步擴展傳感器類型以用于其他數(shù)據(jù)監(jiān)測，具有很好的擴展性。同時，本系統(tǒng)具備操作簡單、安裝便捷、成本低廉、適應性強等特點，具有廣闊的市場應用推廣前景。當然系統(tǒng)中還存在不足之處，有待進一步完善。監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性依賴于傳感器性能，當傳感器數(shù)據(jù)采集誤差較大時，監(jiān)測控制終端將無法正常顯示，下一步將對傳感器數(shù)據(jù)誤報通過恒虛警算法從底層保證數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

參考文獻

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