基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

高慶云

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，浙江 杭州310018）

0 引言

環(huán)境監(jiān)測是為保護環(huán)境和保障人群健康，運用化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和公共衛(wèi)生學(xué)等方法間斷或連續(xù)地測定環(huán)境中污染物的濃度，觀察、分析其變化和對環(huán)境影響的過程[1]。隨著社會進步與經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境保護問題越來越受到人們的關(guān)注。世界各國都致力于控制和減少環(huán)境污染，研究環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的綠色方案，我國也提出了發(fā)展低碳經(jīng)濟的戰(zhàn)略目標，并對環(huán)境自動監(jiān)控提出了更高的要求。

大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)能夠準確、及時、全面地反映特定區(qū)域環(huán)境的質(zhì)量現(xiàn)狀及其變化趨勢，要求覆蓋面廣，監(jiān)測點布設(shè)靈活，從而為環(huán)境管理、污染源控制和環(huán)境規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)特定區(qū)域環(huán)境信息的實時采集、無線傳輸和集中處理，是實現(xiàn)大氣環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測的一種先進解決方案。

1 系統(tǒng)總體方案

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。嵌入式網(wǎng)關(guān)和若干傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成星形拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由隨機部署在感興趣區(qū)域內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實時采集大氣環(huán)境信息和氣象參數(shù)，經(jīng)過預(yù)處理之后，以ZigBee無線通信方式發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)；嵌入式網(wǎng)關(guān)也具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集能力，還配置了LCD觸摸屏人機界面，其主要功能是將各監(jiān)測點的環(huán)境數(shù)據(jù)匯總之后，通過Internet傳送給大氣環(huán)境監(jiān)測中心 （PC），即實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Internet接入。環(huán)境監(jiān)測中心對特定區(qū)域的大量環(huán)境數(shù)據(jù)和氣象參數(shù)進行檢查分析之后，存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，以便統(tǒng)計處理和數(shù)據(jù)查詢。

圖1 大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 環(huán)境監(jiān)測變量及傳感器

大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測（air quality monitoring）是指對一個地區(qū)大氣中的主要污染物進行布點觀測，并由此評價大氣環(huán)境質(zhì)量的過程[2]。國務(wù)院環(huán)境保護領(lǐng)導(dǎo)小組發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》規(guī)定了環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)劃分、標準分級、污染物項目、取值時間及濃度限值。選擇《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中規(guī)定的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）等可用傳感器測量的幾種大氣污染物作為系統(tǒng)監(jiān)測對象。由于大氣污染與氣象條件密切相關(guān)，因而在大氣污染監(jiān)測中應(yīng)包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、相對濕度、氣壓等氣象參數(shù)的測定[3]。此外，CO2是反映碳排放的重要指標，所以將其列為監(jiān)測項目之一，故基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測變量共有10種。遵循低成本、高可靠性、適當(dāng)精度、使用方便等原則，為大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配置了以下8種傳感器模塊：

（1）SO2傳感器：選擇模擬輸出型二氧化硫傳感器模塊 SMCCDX，它采用雙光束非分光紅外線（NDIR）檢測技術(shù)，具有抗其它氣體干擾、穩(wěn)定性好、自帶溫度補償?shù)忍攸c，輸出符合Modbus協(xié)議的模擬信號4～20mA，經(jīng)過信號變送器產(chǎn)生0～5VDC的模擬信號。

（2）NO2傳感器：選用深圳市富安達智能科技有限公司研發(fā)的NO2/S-500-S傳感器（量程：0～500ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度范圍：-20°C-45°C，工作濕度范圍：15-90%），無需偏執(zhí)電壓，具有良好的重復(fù)再現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性，經(jīng)信號放大電路及信號變送器輸出0～5VDC的模擬信號。

（3）CO傳感器：選用英國Alphasense公司的一氧化碳傳感器COBF（量程：0-1000ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度：-30～50℃，工作濕度：15～90%RH），經(jīng)信號放大及變送后產(chǎn)生0～5VDC模擬信號。

（4）O3傳感器：選用MQ131臭氧氣體檢測模塊（工作電壓：5VDC），它具有模擬量輸出及TTL電平輸出的雙路信號輸出，TTL低電平輸出有效，可直接與單片機I/O口相連。

（5）風(fēng)速風(fēng)向傳感器：配置的M288865包括了風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器。風(fēng)速傳感器（量程：0～40m/s，精度：±0.3m/s）可以產(chǎn)生TTL電平頻率信號，風(fēng)向傳感器（量程：0～360o，精度：0.1%）在精密導(dǎo)電塑料電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出，可經(jīng)過變換電路產(chǎn)生0～5VDC模擬輸出信號。

（6）溫濕度傳感器：選用含有校準數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11（溫度量程：-40～123.8℃，濕度量程：0～100%RH，溫度測量精度：±0.3℃，濕度測量精度：1.8%），它采用準IIC方式傳輸數(shù)據(jù)。

（7）氣壓傳感器：選擇德國BOSCH氣壓傳感器系列的BMP085（量程：300～1100mbar，精度：0.03mbar，工作溫度范圍：-40℃～85℃），用8-Pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，可以通過IIC總線直接與各種微處理器相連。

（8）CO2傳感器：選擇采用固體電解質(zhì)電池原理的MG811型CO2氣體傳感器。該傳感器受溫濕度變化的影響較小，具有良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性，經(jīng)信號放大及調(diào)理后產(chǎn)生0～5VDC的模擬輸出信號。

3 大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個由傳感單元、處理單元、無線收發(fā)單元和電源單元4個功能模塊組成的微型嵌入式系統(tǒng)[4]，其硬件組成如圖2所示。它的控制能力、數(shù)據(jù)存儲能力、分析計算能力和通信能力相對嵌入式網(wǎng)關(guān)較弱。傳感單元分為模擬和數(shù)據(jù)兩部分，SO2傳感器 (SMCCDX)、NO2傳感器 (NO2/S-500-S)、CO傳感器 (CO-BF)、CO2傳感器(MG811)和風(fēng)向傳感器(M288865/DIR)的輸出信號經(jīng)過放大和調(diào)理之后，輸出0～5V模擬信號，可接入MCU的ADC通道；O3傳感器(MQ131)、風(fēng)速傳感器(M288865/SPEED)輸出TTL電平脈沖信號，可接入MCU的計數(shù)通道。溫濕度傳感器(SHT11)采用準IIC方式向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA和SCK信號可直接與MCU的I/O引腳連接；氣壓傳感器(BMP085)使用標準IIC總線向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。處理單元主要協(xié)調(diào)、控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理采集數(shù)據(jù)，并與其它節(jié)點合作完成被指派的感知、監(jiān)測任務(wù)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，從節(jié)約成本、提高可靠性等方面考慮，選用ATmega16單片機。無線收發(fā)單元將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用TI公司的系統(tǒng)芯片（SoC）CC2530F256，運行ZigBee2007/PRO協(xié)議，通過USART與MCU傳輸數(shù)據(jù)，滿足以Zigbee為基礎(chǔ)的2.4GHz的ISM頻段應(yīng)用。電源單元則為傳感器節(jié)點提供維持正常運行所必須的能量。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件組成

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)以ARM微處理器為核心，包括傳感單元、基本外圍電路、存儲單元、ZigBee通信、Internet通信和觸屏顯示6部分，其硬件組成如圖3所示。選擇SamSung公司的基于ARM920T架構(gòu)的16/32位RISC處理器S3C2440A作為控制核心，協(xié)調(diào)其它所有工作單元有序運行，實現(xiàn)大氣環(huán)境信息和氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等全部功能。嵌入式網(wǎng)關(guān)的傳感單元組成及功能與傳感器節(jié)點的傳感單元相同。基本外圍電路包括電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路，為S3C2440A正常運行以及嵌入式網(wǎng)關(guān)中所有外圍電路正常工作提供基本保障。存儲單元擴展了SDRAM和FLASH兩種存儲器，分別為程序代碼和各種數(shù)據(jù)提供存儲空間。ZigBee通信模塊負責(zé)與WSN內(nèi)的各傳感器節(jié)點通信，搜集監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境信息。觸屏顯示單元采用Toppoly 3.5寸LCD模塊，移植了Qt界面，便于用戶在現(xiàn)場進行傳感器網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)配置，查詢?nèi)我鈺r刻采集的環(huán)境數(shù)據(jù)等。Internet通信模塊將匯總的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心，并與ZigBee模塊聯(lián)合實現(xiàn)ZigBee和TCP/IP兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件組成

4 大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件

4.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實行被動式數(shù)據(jù)采集行為，即僅當(dāng)接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令時才執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的任務(wù)，其它時間則進入休眠模式以降低電能消耗。

傳感器節(jié)點應(yīng)用軟件的設(shè)計過程相對簡單，其程序流程如圖4所示。上電復(fù)位后首先初始化硬件，向嵌入式網(wǎng)關(guān)報告自己的ID信息，加入WSN之后就進入空閑模式。在此模式下，CPU停止運行，而SPI、USART、ADC、定時器/計數(shù)器、看門狗和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。諸如定時器溢出與USART傳輸完成等內(nèi)外部中斷都可以喚醒MCU[5]。因此，當(dāng)接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集命令后，USART接收中斷會將MCU喚醒，即刻采集大氣污染物數(shù)據(jù)，再通過ZigBee通信模塊將其傳輸至嵌入式網(wǎng)關(guān)。

圖4 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件流程

4.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件

基于S3C2440A微處理運行Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，其軟件部分包括啟動引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，前3部分是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)部分，目前已有相對較為成熟的版本出現(xiàn)，只需要針對具體硬件平臺進行修改、裁減即可完成移植工作，不必重新開發(fā)。

4.2.1 驅(qū)動程序

驅(qū)動程序是應(yīng)用程序和實際設(shè)備之間的一個軟件層[6]。分為字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器都是簡單的硬件設(shè)備，因此，全部被抽象為字符設(shè)備。字符設(shè)備驅(qū)動程序完成的主要工作是初始化硬件設(shè)備、添加和刪除設(shè)備結(jié)構(gòu)體， 申請和釋放設(shè)備號以及填充 file_operations結(jié)構(gòu)體。file_operations結(jié)構(gòu)體用來建立設(shè)備編號與驅(qū)動程序操作的連接，實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)體中的read()、write()、ioctl()等函數(shù)是驅(qū)動程序設(shè)計的主題工作。

傳感器設(shè)備驅(qū)動程序所實現(xiàn)的只是最重要的設(shè)備方法，比如SHT11和CO2的file_operations結(jié)構(gòu)被初始化為如下形式：

4.2.2 應(yīng)用程序

嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序主要包括兩個線程和一個中斷服務(wù)程序，其執(zhí)行流程如圖5所示。上電后，首先進入main函數(shù)（主線程）初始化并設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)用signal函數(shù)設(shè)置SIGALRM信號的信號處理程序用以完成嵌入式網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測中心的TCP/IP通信任務(wù)，然后設(shè)置定時器，再調(diào)用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建Data_Collection線程負責(zé)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，之后運行基于事件驅(qū)動的Qt程序，在這段代碼中將程序控制權(quán)交給用戶，用戶通過操作界面可以設(shè)置嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)或查看實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖5 嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序流程

圖6 顯示歷史數(shù)據(jù)的VC界面

4.3 大氣環(huán)境監(jiān)測中心軟件

使用Access2007創(chuàng)建大氣環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，利用visual c++提供的ADO（ActiveX Data Object）訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理、越限報警和數(shù)據(jù)顯示查詢等功能。當(dāng)鍵入主鍵值 （ID）時，程序訪問access數(shù)據(jù)庫進行查詢，并顯示出該ID對應(yīng)的各字段數(shù)據(jù)值；還可以時間為橫軸，參數(shù)值為縱軸顯示某一時間段的變化曲線。如圖6所示。

5 結(jié)論

系統(tǒng)綜合測試表明，環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可按照設(shè)計要求采集數(shù)據(jù)，并能正確接收、執(zhí)行嵌入式網(wǎng)關(guān)下發(fā)的各種命令；嵌入式網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)WSN自組網(wǎng)功能，并支持傳感器節(jié)點動態(tài)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，且人機界面簡單易用；大氣環(huán)境監(jiān)測中心可顯示環(huán)境信息歷史數(shù)據(jù)和變化曲線，支持各種查詢。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、嵌入式網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信良好，可協(xié)同完成特定區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化任務(wù)。

［1］陳玲,趙建夫.環(huán)境監(jiān)測[M].北京∶化學(xué)工業(yè)出版社,2008∶10-11.

［2］孫春寶.環(huán)境監(jiān)測原理與技術(shù)[M].北京∶機械工業(yè)出版社,2007∶7.

［3］國家環(huán)保部.HJ/T 193-2005,環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京∶中國環(huán)境科學(xué)出版社,2006-1-1.

［4］I.F.Akyildiz,W.Su,Y.Sankarasubramaniam,E.Cayirci.A Survey on Sensor Networks[J].IEEE Communications Magazine.2002∶102-114.

［5］Atmel Corporation.ATmega16 Datasheet[EB/OL].[2006-11-16].http∶//www.atmel.com/avr

［6］Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg Kroah-Hartman.LINUX設(shè)備驅(qū)動程序[M].魏永明,耿岳,鐘書毅,譯.北京∶中國電力出版社,2005∶11.