區域分布式空氣質量監測系統的設計

余 湧，馬婭婕，肖 凡，程明月，趙 蕾

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

大氣環境是人類賴以生存和發展的重要環境之一。隨著社會的發展，工業化和城市化進程的不斷加快，各種污染物的排放量不斷增加，導致空氣中有害氣體濃度超標，這對人類的生存和發展造成了一定的威脅，空氣污染已經成為當下一個非常嚴峻的話題，人們開始更多地關注周邊的空氣質量[1]。因此，建立一個完善的大氣污染監測系統也顯得刻不容緩。

當今世界通信技術迅猛發展，ZigBee技術作為一種新興的短距離無線通信技術，正有力地推動著低速率無線個人區域網絡LR-WPAN的發展。基于無線傳感器技術的多點、分布式監測網絡也已成為人們關注的焦點[2]。本文基于ZigBee技術結合GPRS和Web技術設計了一種無線傳感器網絡，用以遠程實時監測空氣中常見污染氣體的濃度信息，使得傳統的依靠人工定時、定點采樣記錄數據監測的工作模式演變成了自動化、智能化和網絡化的監測模式；同時裝置具有體積小，重量輕，功耗低，安裝方便等優點，為環保部門獲取監測點處實時信息提供了理想解決方案。

1 系統總體架構

檢測系統主要由現場監測終端部分和遠程監控中心的上位機服務器組成。現場檢測終端部分主要包括由常見污染物氣體傳感器、微處理器MCU和ZigBee核心板等組成的ZigBee網絡終端節點模塊、路由器節點模塊、協調器節點模塊、GPRS網關和供電系統等幾部分。由于氣體濃度變化通常不是很明顯，因此采用在某一個檢測區域內分布式地布置多個終端節點模塊，終端節點將采集到的數據進行預處理后通過ZigBee網絡將數據發送到協調器節點，再通過GPRS模塊將數據打包并遠程發送到檢測中心的服務器。由于ZigBee網絡的終端節點模塊需要分布式地布置在監測區域的不同地方，為便于移動與安裝，模塊采用電池組供電，因此選用超低功耗的MSP430系列單片機作為終端節點的數據處理單元，并且設定模塊定時喚醒采集數據，其余時間為睡眠模式。上位機監測系統基于Web網絡技術，采用B/S與C/S相結合的體系結構，實現對監測數據的實時管理和顯示。系統的總體工作流程如圖1所示。

圖1 系統總體工作流程圖Fig.1 Overall system work flow chart

2 系統硬件設計

本文所設計的無線監測網絡主要由ZigBee網絡部分和GPRS網絡部分組成，以下是關于這兩部分的詳細介紹。

2.1 ZigBee網絡部分

ZigBee網絡部分主要由終端節點模塊、路由器節點模塊和唯一的協調器節點模塊組成。其中終端節點由CO傳感器、NO傳感器、NO2傳感器、SO2傳感器、O3傳感器，微控制器（MCU）和無線射頻收發模塊等組成，整個終端節點由電池組供電，工作周期內無需其它能源補給。該節點結構如圖2所示。

圖2 終端節點結構圖Fig.2 Terminal node structure

在Zigbee網絡終端節點中，傳感器作為從機，通過RS-485總線接口與微處理器組成簡單高效的通信網絡，單片機部分采用TI公司最新推出的高性能、低功耗的16位MSP430系列單片機MSP430G2553，該單片機具有16 MHz主頻，內置2個16 bit TimerA模塊以及硬件看門狗等，可以在不到1 μs的時間里從待機模式超快速的喚醒。MSP430G2553工作在1.8 V～3.6 V的低電壓范圍內，且具有5種低功耗運行模式[3]，超低功耗的工作特性為電池供電測量應用提供了最終解決方案。把單片機作為終端節點的控制核心的目的是控制終端節點實現對傳感器數據的采集與預處理等功能。MSP430G2553片上的USCI_A模塊能夠實現UART功能，支持雙緩沖接收/發送和自動波特率監控，通過USUI模塊內置的2個調制器UCBRSx和UCBRFx，采用BITCLK6進行RX采樣，能夠得到非常精準的波特率，單片機利用這個UART口實現向ZigBee核心板發送數據的功能。此外，由于傳感器需要與單片機之間通過RS-485總線進行通信，這里利用單片機內部的定時器模塊的比較捕捉功能模擬出一個虛擬的UART口，利用其捕獲功能捕捉起始位的變化，并借助比較器不斷地將CCRx的設定值與定時器的計數值做比較，當兩者相等時即產生中斷，獲得精確的時間間隔。對CCRx寄存器中定時間隔做相應的設置可以得到誤差極小的通信波特率，從而完成UART口的擴展。

為了滿足系統對數據采集時間的精確記錄要求，在終端節點中增加了內置高精度時鐘調整功能的高精度串行時鐘芯片SD2400，該芯片內置高精度時鐘調整功能，無需人工校時，確保終端節點可以在多種環境下長期可靠的工作。

2.2 GPRS網絡部分

GPRS網絡部分主要由 SIM900A模塊、MSP 430G2553微處理器、E2PROM芯片和電源部分組成。該部分結構如圖3所示。

圖3 GPRS網絡部分Fig.3 GPRS network

GPRS模塊選用SIMcom公司生產的工業級雙頻模塊SIM900A，由于該型號模塊內部集成有TCP/IP協議棧[4]，可以通過單片機發送AT指令來控制模塊將原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送。SIM900A模塊的工作電壓為3.8 V，當模塊以最大功率發射時，供電電流的峰值能達到2A[4]，為了避免由此造成的電壓跌落而導致模塊出現重啟等異常狀況，在模塊的電源輸入端采用可調輸出型開關穩壓芯片，這里選用LM2596芯片作為穩壓芯片，可以輸出小于37 V的各種電壓，輸出電流驅動能力強，可以輸出的瞬間最大驅動電流達到3 A，且具有較強的抵抗電壓跌落的能力，完全滿足該電路的設計要求，通過在電壓輸出端口并聯多個470 μF的大電容，來進一步保證電壓輸出端口得到穩定的電壓。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括2個部分：一部分是基于IAR開發環境的單片機控制程序的編寫，用于控制監測設備完成對傳感器數據的采集和預處理；另一部分是基于VS開發環境下的C#語言編寫的上位機監測系統。利用Web網絡技術和數據庫管理技術[5]，基于Web網絡的監控管理系統。實現對數據的存儲以及實現對數據庫的訪問和數據的圖形化顯示。

3.1 單片機控制程序

單片機控制程序主要采用C語言來編寫，作為數據采集部分以及數據傳送部分的控制核心，單片機程序設計的好壞決定了整個系統能否正常運行。該部分程序主要表現在數據的傳送部分，程序可以按照以下流程來進行設計：系統初始化、啟動Zig-Bee協調器并等待直到ZigBee網絡的建立、GPRS網絡的建立、數據的傳輸與控制。本文主要介紹ZigBee網絡的工作流程以及與GPRS模塊相關的程序設計，這兩部分實現的主要功能包括ZigBee網絡的組建過程以及GPRS模塊的初始化操作、GPRS數據傳輸相關的操作。

ZigBee網絡的建立過程為先啟動協調器節點，然后依次啟動路由器節點模塊和終端節點模塊，組網成功后就可進行數據的傳輸了。ZigBee網絡由協調器節點管理其它節點，終端節點將采集到的數據按預先設定好的格式通過路由器節點后傳送到協調器節點，協調器節點與MSP430G2553單片機進行數據通信。該部分的具體流程如圖4所示。

圖4 ZigBee網絡組建流程Fig.4 ZigBee network forming process

GPRS模塊開機初始化后將會與監控中心服務器建立連接，連接成功后就可以按預先設定好的格式傳送GPRS數據包。MSP430G2553單片機通過UART口向SIM900A模塊發送AT指令來控制GPRS模塊執行各項操作，模塊每執行一條AT指令，均會向單片機回復一段返回值，單片機可以根據GPRS模塊的返回信息判斷其工作情況。該部分程序流程圖如圖5所示。

圖5 網關節點軟件設計Fig.5 Gateway node software design

3.2 上位機監控系統

監控中心系統的軟件架構采用基于面向TCP/IP協議和Socket通信機制的C/S結構，采用VS作為開發工具，具有功能強大、靈活高效等優點。為了后期查詢數據的方便，采用SQL Server數據庫來存儲相關數據。監控中心軟件主要實現3部分的功能：（1）基于TCP/IP協議的數據的接收與存儲；（2）通過網頁對監測點的傳感器數據信息進行實時監測與顯示；（3）實現對歷史數據的查詢與導出，為監測人員分析檢測區域空氣質量變化的規律提供方便。監測界面如圖6所示。

圖6 上位機監測界面Fig.6 Host computer monitoring interface

4 提高系統可靠性的措施

由于本系統需要長期工作在無人值守的環境中，因此確保系統的工作穩定性就顯得尤為重要。系統在設計時就采取了多種措施來提高系統抵抗外界干擾的能力，同時在軟件設計中引入多種自檢機制來應對各方面可能出現的問題。

在電路設計上與布局上，采取多種防護措施對其進行保護。包括采用超低功耗單片機結合定時喚醒機制嚴格控制終端節點的耗電量，同時在對PCB板布局和走線時，盡量縮短敏感回路，盡可能的采用全直線、減少彎折并做敷銅處理，確保GPRS模塊和其它敏感元器件可以穩定、可靠的工作。

可能影響系統正常工作的因素有：GPRS模塊在長時間無數據傳輸時會導致模塊自動下線，這里主要采用心跳包機制和狀態自檢與自恢復機制來提高模塊工作過程的穩定性[5]。

GPRS模塊采用PPP協議與GGSN進行握手來連接到Internet，當模塊一段時間不進行數據傳輸時，GGSN會自動斷開模塊的網絡連接以節省網絡信道資源，這會導致GPRS模塊重新連接服務器時其模塊的網絡地址發生改變。為了避免由此造成的網絡連接中斷，設定系統每2 min向監測中心服務器發送一小段固定格式的心跳信息，確保模塊長期在線。針對可能造成GPRS網絡鏈路斷開的外部干擾，設計了網絡連接狀態自檢機制，定期向遠程監控中心發送狀態檢測信息，若重復發送若干次仍未收到應答信息，則可以判定GPRS模塊已經掉線，然后通過AT指令重啟模塊并重新建立連接。此外，采用MSP430單片機內部自帶的看門狗機制解決系統死機、假在線等問題，一旦單片機沒有正常接收GPRS模塊回復的信息，則立即通過控制GPRS模塊的RESET引腳重啟模塊并重新建立網絡連接。

5 結語

經過實際運行，基于ZigBee技術和GPRS技術的空氣質量監測系統能夠很好地實現對監測區域空氣質量的實時監測，實現了無人值守環境下的遠程實時監測、異常警告等功能，與傳統的依靠人工定時、定點巡查與測量數據的方法相比，極大地降低了人員的工作量，并能有效降低系統維護管理成本，同時提高了系統的安全性和可靠性。系統實際運行起來安全、可靠、穩定，可廣泛應用于各類無人值守的遠程智能檢測系統，有較好的應用前景。

[1]國家自然科學基金委員會，中國科學院學部.未來10年中國學科發展戰略：資源與環境科學[M].北京：科學出版社，2012.

[2]王小強，歐陽駿，黃寧，等.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[3]沈建華，楊艷琴.MSP430超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2013.

[4]芯訊通無線科技（上海）有限公司.GPRS無線模塊SIM900A硬件設計注意事項（技術白皮書）[Z]，2010.

[5]王奇武，周鳳星，嚴保康.高壓線塔塔基穩定性監測系統的設計[J].電子技術應用，2014，40（3）：135-138.

發改委再推六大新興產業工程包

繼七大工程包、六大消費領域之后，發改委再出大招，表示將組織實施新興產業重大工程包。國家發改委日前表示，將組織實施戰略性新興產業重大工程包。2015~2017年，重點開展信息消費、新型健康技術惠民、海洋工程裝備、高技術服務業培育發展、高性能集成電路及產業創新能力等六大工程建設。

國家發改委發布《關于實施新興產業重大工程包的通知》，提出將通過政策引導和適當的投資支持，探索政府支持企業技術創新、管理創新、商業模式創新的新機制，增強發展戰略性新興產業、新興業態的動力，拓展新的投資領域，釋放消費需求潛力，形成新的經濟增長點。

《通知》提出，要充分發揮政府資金的引導作用，引導和帶動更多社會資本特別是民間資本參與工程建設。有關部門和地方要認真落實鼓勵社會投資的有關政策，積極探索政府資金與信貸、債券、基金、保險等相結合的多種融資組合，有效擴大高技術產業和戰略性新興產業的社會投資。在資金安排方式上，針對不同工程的特點，采取后補助等形式，提高資金使用效益。

在信息消費工程領域，一是開展重點領域民生服務示范應用，創新公共服務供給模式，增強民生服務供給能力，釋放民生信息消費需求、有效提升公共服務均等普惠水平。二是推進衛星遙感、衛星通信、衛星導航的綜合應用以及衛星與其他信息技術和服務的融合應用，發揮我國空間基礎設施輻射帶動作用，推動衛星應用產業自主創新發展和市場化、規模化發展，為經濟社會創新發展提供有力支撐。三是開展重點領域信息安全示范應用，提高我國關鍵基礎設施網絡安全綜合保障能力和水平，提升重要信息系統安全可控能力。

在高性能集成電路工程領域，將面向重大信息化應用、戰略性新興產業發展和國家信息安全保障等重大需求，著力提升先進工藝水平、設計業集中度和產業鏈配套能力，選擇技術較為成熟、產業基礎好，應用潛力廣的領域，加快高性能集成電路產品產業化。通過工程實施，推動重點集成電路產品的產業化水平進一步提升，移動智能終端、網絡通信、云計算、物聯網、大數據等重點領域集成電路設計技術達到國際領先水平，設計業的產業集中度顯著提升。 來源：中國工業報