張少華，肖金球*，李長(zhǎng)才

（1.蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市智能測(cè)控工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州215009）

多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張少華1，2，肖金球1，2*，李長(zhǎng)才1，2

（1.蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市智能測(cè)控工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州215009）

為了提高空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中多參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)的多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)將ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)與各傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，以ARM處理器S3C2410為硬件電路的核心，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心顯示并保存。測(cè)試結(jié)果表明：該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，覆蓋范圍廣，能對(duì)空氣中多個(gè)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有較高的實(shí)用性。

無(wú)線傳感網(wǎng)；多參數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；GPRS

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，工業(yè)化和城市化帶來(lái)的不僅僅是現(xiàn)代化的生活，還有隨處可見(jiàn)的污染，對(duì)于空氣污染的監(jiān)測(cè)已成為現(xiàn)今最熱的話題之一。目前空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)采用的方法主要有兩種：傳統(tǒng)的人工取樣實(shí)驗(yàn)室分析法和利用外國(guó)進(jìn)口的自動(dòng)化空氣檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法[1]。這兩種監(jiān)測(cè)方法都存在一定的缺點(diǎn)，因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)能對(duì)空氣中多種有害氣體以及PM2.5等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)[2-3]，使用安放在不同區(qū)域的氣體傳感器采集空氣中污染物的濃度，并將所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)到主節(jié)點(diǎn)上，最后主節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，及時(shí)了解不同地區(qū)空氣中各污染物的濃度，當(dāng)某項(xiàng)參數(shù)超標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒[4-5]，以便相關(guān)部門及時(shí)對(duì)污染采取防治措施。基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)是一種典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[6-7]，這種方法能實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，且各節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)性高，運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)的多參數(shù)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)空氣中的多個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)反映出監(jiān)測(cè)區(qū)域空氣的狀況，當(dāng)有參數(shù)超標(biāo)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)可以對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了方便無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行自主組網(wǎng)，各區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)時(shí)采用多級(jí)異構(gòu)分簇的路由協(xié)議。根據(jù)監(jiān)測(cè)需要選擇相對(duì)應(yīng)的傳感器，可對(duì)各區(qū)域空氣中的多種參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要包括溫度、濕度、氣壓和PM2.5的值，以及CO、CO2、O3、NO2、SO2等氣體的濃度。各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)都匯總到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由ARM處理器S3C2410對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果用GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器上[8-9]，使監(jiān)測(cè)中心能實(shí)時(shí)掌握各區(qū)域所測(cè)信息。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括各類傳感器和相應(yīng)的調(diào)理電路以及射頻芯片，各無(wú)線傳感網(wǎng)中的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集空氣中各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)接收和匯總各區(qū)域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，最后傳輸給處理模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的感知、采集和預(yù)處理。

2.1.1傳感器與調(diào)理電路

系統(tǒng)所選取的傳感器主要有溫、濕度傳感器，氣體傳感器和PM2.5傳感器。

PM2.5的檢測(cè)采用的是光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器GP2Y1010AU0F，傳感器內(nèi)部有紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管，通過(guò)對(duì)角安放使光電晶體管能夠檢測(cè)到氣室中塵埃顆粒的反射光的光照強(qiáng)度。

在空氣監(jiān)測(cè)中，氣體檢測(cè)通常使用對(duì)應(yīng)的氣體傳感器，其中電化學(xué)傳感器是用于檢測(cè)氣體時(shí)使用最多、技術(shù)最完善、檢測(cè)性能最好的方法，該系統(tǒng)就是采用各類氣體的電化學(xué)傳感器。選取的傳感器應(yīng)具有良好的分辨率、檢測(cè)精度等參數(shù)，氣體電化學(xué)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 電化學(xué)傳感器主要技術(shù)參數(shù)

為保證系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使用電化學(xué)傳感器時(shí)，需每隔一段時(shí)間對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)零，系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的一款新型可編程電化學(xué)模擬前端芯片LMP91000[10]。 LMP91000芯片通過(guò)編程控制增益和溫度補(bǔ)償，能夠完成傳感器的自動(dòng)調(diào)零和智能校準(zhǔn)，能很大程度上提高測(cè)量結(jié)果的精度，調(diào)理電路具體如圖2所示。電路的數(shù)字接口部分與控制器的ADC和I2C（SCL和SDA）接口相連，可直接讀取傳感器輸出信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)芯片的控制。

圖2 電化學(xué)傳感器調(diào)理電路

2.1.2 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)

ZigBee是一種短距離、低速率、低功耗的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，主要工作在2.4 GHz、915 MHz和868 MHz的3個(gè)頻段上，傳輸距離在10-75 m的范圍內(nèi)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以將多個(gè)小型的傳感器組織起來(lái)通信，網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，可以和互聯(lián)網(wǎng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)進(jìn)行連接，很大程度上能降低遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀尽?/p>

ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用TI公司生產(chǎn)的芯片CC2530，CC2530在單個(gè)芯片上集成了一個(gè)工作在2.4 GHz頻段IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)和一個(gè)高性能低功耗的8051微控制器，其無(wú)線接收靈敏度高且抗干擾性強(qiáng)，特別適用于搭建功能健全、價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2.2 核心處理模塊

該系統(tǒng)的核心處理模塊完成將網(wǎng)關(guān)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，終端顯示，參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)，并將處理所得的數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳輸給監(jiān)測(cè)中心，核心處理模塊的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 核心處理電路的系統(tǒng)框圖

2.2.1 ARM處理器

該系統(tǒng)的處理器是三星公司生產(chǎn)的16/32位RSIC處理器S3C2410。這是一款CPU采用ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器，具有低價(jià)格、低功耗、高性能等特點(diǎn)。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，每個(gè)都是由8字長(zhǎng)的行構(gòu)

成，通過(guò)提供一系列完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需要，可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期。雖然S3C2410的運(yùn)算能力一般，但擁有多個(gè)控制器和接口，以及其他外設(shè)的擴(kuò)展，能夠完全滿足空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.2.2 供電電路

該系統(tǒng)要將各傳感器模塊放置在不同的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，放置地點(diǎn)都處于戶外，因此，只有工作穩(wěn)定、可靠且容量大的電池才能滿足系統(tǒng)的供電。電源作為整個(gè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性和正常運(yùn)行都起關(guān)鍵作用，因此，選用可充電的膠體太陽(yáng)能蓄電池，膠體太陽(yáng)能蓄電池有比較好的深循環(huán)能力，有著很好的過(guò)充和過(guò)放能力，并且電池使用壽命長(zhǎng)，能適用不同的環(huán)境要求，適合為該系統(tǒng)的供電。

2.3 無(wú)線通信模塊

考慮到該系統(tǒng)通信模塊安放地點(diǎn)條件惡劣，為了節(jié)約成本，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)所需功能，無(wú)線通信模塊采用的是GPRS模塊，將處理過(guò)的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器，發(fā)送和接收均通過(guò)GPRS模塊完成。系統(tǒng)使用西門子公司生產(chǎn)的MC55i模塊，這是一款應(yīng)用范圍廣泛并且成熟可靠的GPRS模塊，接收速率可達(dá)86.2 kbps，發(fā)送速率則為21.5 kbps，通過(guò)RS232連接S3C2410處理器，利用AT指令進(jìn)行控制，收發(fā)數(shù)據(jù)，無(wú)需編程，操作簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。

圖4 ZigBee組網(wǎng)流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要有戶外設(shè)備處理軟件和上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件兩部分組成。戶外設(shè)備處理軟件主要包括檢測(cè)終端、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和路由以及數(shù)據(jù)處理等設(shè)備上的的軟件。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件則主要負(fù)責(zé)接收GPRS模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理后存入服務(wù)器，并將最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在終端顯示器上。

3.1 戶外設(shè)備處理軟件

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備軟件主要分為兩大部分。第一部分是ZigBee組網(wǎng)以及其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)具體流程如圖4所示。其中包括OSAL的初始化、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建、各節(jié)點(diǎn)的初始化和數(shù)據(jù)的采集處理等模塊。第二部分是嵌入式系統(tǒng)的初始化和處理完數(shù)據(jù)的GPRS傳輸，具體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序執(zhí)行流程圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要由路由器、防火墻、服務(wù)器以及相應(yīng)的軟件程序構(gòu)成，能夠完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、直觀地呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)顯示界面中，以方便工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和對(duì)歷史記錄的查詢。用戶登錄軟件并選擇監(jiān)測(cè)區(qū)域后的界面如圖6所示，上半部分直接顯示監(jiān)測(cè)區(qū)域測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，下半部分則可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，在選擇所需查詢的參數(shù)和起止時(shí)間后便可得到歷史記錄的曲線。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢界面

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

為了測(cè)試該系統(tǒng)的實(shí)際使用性，選取對(duì)蘇州市上方山景區(qū)

周圍區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，將連續(xù)多天測(cè)量的結(jié)果繪制成折線圖，空氣的溫度和濕度測(cè)量結(jié)果如圖7所示，PM2.5和CO2參數(shù)測(cè)量結(jié)果如圖8所示。將以上結(jié)果與國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)所發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，所測(cè)數(shù)據(jù)與其發(fā)布數(shù)據(jù)基本吻合，某些點(diǎn)會(huì)存在誤差，經(jīng)分析得出結(jié)論，是由于傳感器放置地點(diǎn)不準(zhǔn)確引起測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，以后將進(jìn)一步完善確定傳感器的準(zhǔn)確位置。

圖7 溫度、濕度測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)是基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集，以ARM處理器S3C2410為控制核心構(gòu)建的嵌入式監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中多參數(shù)的采集監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)傳輸與終端顯示。系統(tǒng)可對(duì)空氣中多個(gè)參數(shù)的值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，且體積小、成本少、功耗低，采用太陽(yáng)能電池供電，具有低功耗、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、可靠性高，具有很高的實(shí)際使用價(jià)值和較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

圖8 PM2.5和CO2測(cè)量結(jié)果

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Design of multi-parameter air quality monitoring system

ZHANG Shaohua1，2，XIAO Jinqiu1，2，LIChangcai1，2
（1.School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.SuzhouIntelligence Control Engineering Technology Center，Suzhou 215009，China）

Aimed at solving the existed air quality monitoring problems,improving the monitoring level and realizing the real-time monitoring of multi-parameters,we designed a multi-parameter air quality monitoring system based on wireless sensor network.Combining ZigBee wireless sensor network with various sensors,this system implemented data real-time acquisition and transmission.It also used ARM processor S3C2410 as the core of hardware circuit sending the data to the monitoring center via GPRS module for display and restoration.Test results show that the system has the advantages of stability and wide coverage.It can realize the real-time air monitoring of multi-parameters with high practical value.

wireless sensor network；multi-parameter；real-time monitoring；GPRS

TP368.1

A

1672－0687（2016）04－0068－04

責(zé)任編輯：艾淑艷

2016－04－05

江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技項(xiàng)目（2014JH12）；蘇州科技學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目（XKZ201412）

張少華（1991-），男，江蘇丹陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：智能測(cè)控技術(shù)。

*通信聯(lián)系人：肖金球（1963-），男，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，E-mail：xjq@mail.usts.edu.cn。