□ 文 李旭

構(gòu)建基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

□ 文 李旭

1. 引言

隨著霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，空氣質(zhì)量越來(lái)越受到人們重視。但人們關(guān)注并監(jiān)測(cè)室外空氣質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)室內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量卻缺乏足夠的關(guān)注與重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球近一半的人處于室內(nèi)空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題對(duì)我們來(lái)講，就顯得尤為主要。

除了對(duì)人體健康的危害，一些例如制藥工廠和汽車(chē)噴涂車(chē)間的工業(yè)環(huán)境，在工作時(shí)對(duì)空氣里的粉塵顆粒數(shù)量有極為嚴(yán)格的要求，超過(guò)一定數(shù)量就會(huì)影響工藝運(yùn)轉(zhuǎn)和最終的產(chǎn)品品質(zhì)。這些行業(yè)的現(xiàn)狀往往是在生產(chǎn)過(guò)程中定時(shí)的用空氣微小顆粒計(jì)數(shù)器來(lái)檢測(cè)粉塵顆粒數(shù)量。

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用新型激光檢測(cè)原理的粉塵傳感器、溫濕度傳感器以及TVOC等空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器作為信息采集終端；采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)ZigBee協(xié)議來(lái)進(jìn)行通信組網(wǎng)；采用云服務(wù)器來(lái)搭建監(jiān)控中心；采用大屏幕、PC、智能手機(jī)等多種方式來(lái)作為顯示終端；整體構(gòu)架起了一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)快速、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的新型空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)任何場(chǎng)景的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，既可以為人們的身體健康保駕護(hù)航，也可以為企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量控制提供有效依據(jù)。

2. 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)主要有終端傳感器感知節(jié)點(diǎn)、ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、顯示終端四大部分組成，可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、匯聚層、應(yīng)用層四個(gè)層次。如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

終端感知節(jié)點(diǎn)是以PM2.5傳感器為核心，兼容溫濕度、TVOC、甲醛、二氧化碳等傳感器的新型空氣質(zhì)量檢測(cè)終端，可大量安裝在各種室內(nèi)環(huán)境內(nèi)，負(fù)責(zé)測(cè)量空氣中的粉塵顆粒及有害物質(zhì)的含量，判斷空氣質(zhì)量。ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)包括無(wú)線傳輸模塊和ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)把終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心接收所有終端節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并及時(shí)記錄；建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)和分析結(jié)果預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)室內(nèi)區(qū)域環(huán)境污染狀況及發(fā)展趨勢(shì)，為有效控制室內(nèi)環(huán)境狀況提供科學(xué)依據(jù)。顯示終端從監(jiān)控中心調(diào)取所需數(shù)據(jù)，提供給觀察者進(jìn)行查看，從而實(shí)時(shí)了解自己的環(huán)境空氣質(zhì)量信息。

圖2 感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 激光檢測(cè)粉塵顆粒原理圖

3. 硬件設(shè)計(jì)

終端感知節(jié)點(diǎn)由各類(lèi)傳感器、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、電源模塊、微處理器控制模塊組成。不同功能模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣可以實(shí)現(xiàn)各模塊的并行設(shè)計(jì)、調(diào)試，縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也便于后期更換和擴(kuò)展傳感器，從而方便后期維護(hù)和更新?lián)Q代。感知節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 PM2.5檢測(cè)模塊

PM2.5檢測(cè)模塊采用激光散射原理為基礎(chǔ)，由專(zhuān)用的激光模塊產(chǎn)生一束特定的激光，當(dāng)顆粒物經(jīng)過(guò)時(shí)，其信號(hào)會(huì)被超高靈敏的數(shù)字電路模塊檢測(cè)到，通過(guò)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)別分析得到顆粒計(jì)數(shù)和顆粒大小，進(jìn)而通過(guò)粒子濃度轉(zhuǎn)換方法得出懸浮顆粒物的濃度。激光檢測(cè)原理如圖3所示。

PM2.5傳感模塊設(shè)計(jì)為一個(gè)通用性、小型化模組，根據(jù)空氣流動(dòng)學(xué)原理設(shè)計(jì)氣路系統(tǒng)，采用高性能激光器與感光部件，內(nèi)置風(fēng)扇，集成度高，有良好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，最小分辨顆粒直徑 0.3微米。

3.2 TVOC檢測(cè)模塊

TVOC可揮發(fā)性氣體檢測(cè)模塊采用微機(jī)械技術(shù)的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）工藝，設(shè)計(jì)為一個(gè)小巧耐用、結(jié)構(gòu)緊湊的小型化模組，可測(cè)量VOC氣體濃度，并轉(zhuǎn)化為CO2當(dāng)量，并可輸出TVOC值。

3.3 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊采用專(zhuān)用的溫濕度采集技術(shù)，確保模塊具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，模塊包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度集成測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能微處理器相連接。模塊使用己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出技術(shù)，響應(yīng)快速，抗干擾能力極強(qiáng)。

圖4 ZigBee組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 甲醛檢測(cè)模塊

甲醛檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)為一個(gè)通用型、小型化模組，利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的CH2O 進(jìn)行探測(cè)，將成熟的電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)與精良的電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性。模塊可根據(jù)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，具有數(shù)字輸出與模擬電壓輸出。

3.5 ZigBee無(wú)線傳輸模塊

ZigBee無(wú)線傳輸模塊是本系統(tǒng)一個(gè)重要基石，加載ZigBee模塊的檢測(cè)終端才能成為一個(gè)個(gè)的物聯(lián)網(wǎng)終端信息節(jié)點(diǎn)。ZigBee是現(xiàn)今工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)，是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，具有非常靈活的強(qiáng)大自組網(wǎng)能力，很適合用于多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

ZigBee無(wú)線傳輸模塊由射頻通信模塊、微處理模塊（MCU）、ZigBee無(wú)線通信協(xié)議構(gòu)成，本模塊使用433MHz頻率進(jìn)行組網(wǎng)，大大提高了穿透力及傳輸距離。通過(guò)預(yù)先配置后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee可以承擔(dān)終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由組網(wǎng)。

Z i g B e e無(wú)線傳輸模塊數(shù)據(jù)傳輸速率在10KB/s～250KB/s，搜索設(shè)備時(shí)延為 30ms，休眠激活時(shí)延為 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)能力強(qiáng)大，自愈能力強(qiáng)，通信可靠。提供數(shù)據(jù)完整性檢查和健全功能，采用 AES-128 加密算法。

4. 監(jiān)控中心及軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心由路由器、防火墻、服務(wù)器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理程序及數(shù)據(jù)庫(kù)等軟硬件組成。其主要任務(wù)是監(jiān)控管理各個(gè)檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)，定時(shí)收集各檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，存入數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行處理，提供各種報(bào)表和曲線圖，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，實(shí)時(shí)為管理人員提供匯總數(shù)據(jù)和分析。

圖5 系統(tǒng)流程框圖

圖6 PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

監(jiān)控中心匯總所有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并可設(shè)置用戶觀察頁(yè)面，以供觀察者使用智能手機(jī)、PC或大屏幕進(jìn)行查看，實(shí)時(shí)了解其所關(guān)心的環(huán)境空氣質(zhì)量。

5. 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)將監(jiān)控系統(tǒng)安裝在某公司辦公室內(nèi)，為了更好地采集數(shù)據(jù)，在此公司內(nèi)一共安裝了10個(gè)終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

P M 2.5的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中的新型激光PM2.5監(jiān)測(cè)模塊，測(cè)量范圍可達(dá)（0～9 9 9 p p m）；顆粒物粒徑識(shí)別范圍（0.3～10um）；相對(duì)誤差（0～100ug/m3：±10；100～500ug/m3：±10%）；響應(yīng)時(shí)間為1～10秒動(dòng)態(tài)響應(yīng)?？辞€圖分析，當(dāng)10根不同顏色曲線差不多在同一高度位置時(shí)，說(shuō)明10間辦公室空氣質(zhì)量基本一致，如統(tǒng)一偏高則是碰到霧霾天氣。通過(guò)對(duì)辦公室空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以對(duì)室內(nèi)辦公環(huán)境有直觀了解，并可進(jìn)而關(guān)聯(lián)新風(fēng)或空氣凈化系統(tǒng)，對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行凈化改進(jìn)。

6. 結(jié)語(yǔ)

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、傳輸可靠、響應(yīng)快速，可以很好地適應(yīng)各種不同室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)，為使用者提供所需的各類(lèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用新型激光PM2.5傳感器為主的各種監(jiān)測(cè)模塊，均設(shè)計(jì)為通用化模組，為不同檢測(cè)需求提供了良好的擴(kuò)展性；并且采用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)作為組網(wǎng)方式，組網(wǎng)靈活，傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，這些都為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了扎實(shí)基礎(chǔ)?！?/p>

（本文為上海市軟件和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金資助課題，批準(zhǔn)號(hào)：滬經(jīng)信信【2015】509號(hào)，150603。作者單位：上海光維通信技術(shù)股份有限公司）