基于ZigBee和GPRS的大氣污染監(jiān)測系統設計

梅志堅，馬婭婕,肖凡男

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢，430081)

基于ZigBee和GPRS的大氣污染監(jiān)測系統設計

梅志堅，馬婭婕,肖凡男

(武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢，430081)

設計一種基于ZigBee和GPRS的大氣污染監(jiān)測系統，該系統由資源層、中間層和應用層3部分組成。資源層采用ZigBee模塊作為無線組網模塊，利用STM32F107單片機作為控制芯片，與傳感器一起組成一個監(jiān)測節(jié)點；傳感器采集的數據經過單片機處理后，以串行通信協議發(fā)給ZigBee模塊，再通過無線傳感器網絡發(fā)送到數據集中器；集中器由ZigBee模塊、單片機和GPRS模塊組成，集中器將收到的數據通過GPRS模塊發(fā)送給服務器，并實時存入數據庫。中間層負責對傳感器網絡進行管理。應用層通過中間層對數據庫進行訪問，得到相關的監(jiān)測信息并對空氣質量狀況做出報道。

大氣污染監(jiān)測；無線傳感器網絡； ZigBee；GPRS；集中器

隨著我國工業(yè)化和城市化進程的不斷加快，大氣環(huán)境也受到了嚴重的影響。各種大氣污染物的排放量持續(xù)增加，特別是近年來各大城市出現的霧霾天氣，對人類的生存和發(fā)展造成了一定的威脅。因此，建立一個完善的大氣污染監(jiān)測系統刻不容緩[1]。

在實際工作中，隨著大氣污染監(jiān)測項目的增多、監(jiān)測范圍的擴大、點位的密布，人工監(jiān)測已難以滿足要求。現有的大氣污染監(jiān)測網絡大多局限于通過電話線的點對點式通信，缺少利用無線網絡實現監(jiān)測站間的橫向聯系，尤其是對于需要多部門合作解決的大氣污染問題，較少應用遠程無線技術。而目前我國的大氣污染自動監(jiān)測系統基本上依靠引進國外技術及設備來完成，不但價格昂貴，且跟我國的具體情況結合不夠，尤其是在系統結構、數據采集、遠程控制與診斷方面同國內的實際需求相差甚遠。

為了解決上述問題，本文提出基于無線傳感器網絡[2]的大氣監(jiān)測系統設計方案，擬采用ZigBee和GPRS無線通信技術[3]，完成大氣污染連續(xù)自動監(jiān)測系統的改進。

1 系統總體方案設計

大氣污染監(jiān)測系統為3層結構：資源層、中間層及應用層[4]，如圖1所示。

(1)資源層：這是系統設計中的最底層，負責系統中所有的硬件管理，包括傳感器組網、數據的采集、存儲及傳輸等。各個傳感器進行監(jiān)測時都會對相關信息進行記錄保存(例如監(jiān)測時間、地點、檢測物類型、含量等)，這些信息最終會實時存入服務器中的數據庫，形成報表文件，便于上層調用。

(2)中間層：這是管理傳感器網絡體系結構的核心層。該層主要完成執(zhí)行管理、分布式數據挖掘和傳感器注冊表控制等功能。

(3)應用層：通過中間層，應用層可以獲取資源層的信息，即允許應用程序訪問數據庫中存儲的關于監(jiān)測信息的數據，并將這些數據調用到自己的程序中。操作人員可以登錄服務器，獲取數據庫中所需要的數據，進行相關處理。例如，可以將某地某段時間范圍內某種污染物的含量變化用曲線圖形式表示出來，這樣就能很直觀地了解到各地的空氣污染狀況。

2 硬件設計

2.1 系統硬件

大氣污染監(jiān)測系統的硬件結構如圖2所示。硬件系統共分為3個部分：ZigBee傳感器網絡、服務器和應用終端。ZigBee傳感器網絡(資源層)實現大氣污染數據的采集、存儲、網絡內數據的傳輸以及通過GPRS將數據發(fā)送給服務器；服務器(中間層)實現數據的接收，并進行存儲和分析處理；應用終端(手機或個人電腦，應用層)可以訪問服務器并根據不同需求獲取相關數據。

ZigBee傳感器網絡由傳感器監(jiān)測節(jié)點、路由器和集中器3個部分組成[5]，其中集中器是ZigBee傳感器網絡的中心節(jié)點。

(1)傳感器監(jiān)測節(jié)點：在整個大氣污染監(jiān)測系統中，傳感器監(jiān)測節(jié)點主要負責采集各種傳感器的數據(包括PM2.5、臭氧、二氧化硫、一氧化氮等的濃度以及溫度和濕度等)，匯總并按照ZigBee傳輸協議發(fā)送給路由器，或接收從路由器傳達的采集命令并執(zhí)行操作。

(2)路由器：為了增強ZigBee網絡的穩(wěn)定性而加入到網絡中的設備，其主要功能是實現網絡中數據的中轉，既要與監(jiān)測節(jié)點通信，接收傳感器節(jié)點發(fā)過來的數據，又要與集中器通信，將數據傳給集中器，為不能直接通信的各個節(jié)點提供無線中繼轉發(fā)功能，保證數據穩(wěn)定順暢地傳輸到集中器上[6]。

(3)集中器：每個ZigBee網絡中只有一個集中器，它負責管理整個網絡，匯集網絡中所有傳感器采集的數據，存儲并通過GPRS模塊將所有數據發(fā)送給服務器，也可以接收服務器下達的命令，并轉發(fā)給網絡中的各個節(jié)點。

2.2 傳感器節(jié)點硬件

傳感器節(jié)點由STM32F107單片機、傳感器、信號處理電路、電源模塊和ZigBee模塊5個部分組成[7]，如圖3所示。

傳感器采集的大氣污染數據通過信號處理電路放大，再傳給STM32F107單片機進行處理；STM32F107先把接收的數據通過內部自帶的12位A/D轉換器進行處理，然后通過換算得出污染物的濃度值，再由串口發(fā)給ZigBee模塊，ZigBee模塊通過天線將數據發(fā)出；電源模塊負責給整個系統供電。

本系統中采用的ZigBee模塊為DIGI公司的XBee-POR模塊。該模塊的工作頻段為ISM 2.4 GHz，其具有成本低、功耗低、硬件集成度高等特點，廣泛應用于無線抄表、智能家居等多個領域。每個模塊均可配置為集中器、路由器或終端節(jié)點，并可通過免費軟件X-CTU利用AT和API兩種命令模式對模塊進行配置和調試。

2.3 集中器節(jié)點硬件

集中器節(jié)點不僅要通過ZigBee網絡與傳感器節(jié)點通信，還要通過GPRS與服務器進行通信，它是整個監(jiān)測系統中的重要部分。集中器節(jié)點由ZigBee模塊、STM32F107單片機、數據存儲模塊、GPRS模塊和電源模塊組成，如圖4所示。

集中器通過ZigBee網絡接收傳感器節(jié)點采集到的數據，將數據保存到存儲模塊中，并由GPRS模塊發(fā)送至服務器。STM32F107單片機作為主控制器，它的兩個串口分別與ZigBee模塊和GPRS模塊相連[8]。

GPRS可以進行遠距離無線通信，覆蓋范圍廣，傳輸數據效率高[9]。本系統利用它來實現ZigBee傳感器網絡與服務器之間的遠距離數據傳輸。設計中采用華為MG323模塊作為GPRS模塊，該模塊具有尺寸小、功耗低、傳輸速率高等特點，單片機通過AT命令與其通信[10]。

3 軟件設計

3.1 系統軟件設計

整個系統軟件包括資源層軟件、中間層軟件和應用層軟件，其中資源層軟件負責數據采集處理和數據傳輸，中間層軟件負責數據存儲及分析，應用層軟件負責數據顯示[11]。系統軟件流程如圖5所示。

(1)數據采集處理主要包括單片機控制A/D轉換、數據處理、數據存儲等過程。

(2)數據傳輸主要包括ZigBee網絡中各個節(jié)點之間的通信、數據集中器通過GPRS與外部服務器之間的通信等。

(3)數據存儲及分析主要是基于數據庫的存儲與分析，通過對傳感器采集的大量數據進行管理、分析、數據挖掘等工作來提取有用信息。

(4)數據顯示主要是制作一個上位機交互軟件，觀測者可以通過操作軟件了解大氣污染監(jiān)測的各種數據，包括歷史數據、實時數據及未來的變化趨勢等。

3.2 集中器軟件設計

本系統的核心部分數據集中器的軟件流程如圖6所示。系統首先進行上電初始化，然后監(jiān)聽服務器命令，當收到發(fā)送給集中器的命令時，集中器進行相應處理；采集數據時，如果發(fā)現網絡中有數據傳過來，則集中器開始接收數據，接收完成后通過串口將數據發(fā)送給GPRS模塊，再由GPRS模塊發(fā)送到服務器中，集中器一直處于工作狀態(tài)。

3.3 組網狀態(tài)測試

在上位機上運行串口調試助手，設置波特率、數據位、停止位等參數，在終端節(jié)點一端以“0x00+傳感器編號+采集時間+采集數據+0xFF”的格式發(fā)送到集中器節(jié)點，由于采集數據中帶有小數，所以將數據統一放大一定倍數按十六進制發(fā)送，數據發(fā)送到服務器后統一轉換為十進制后再處理。集中器一端的串口調試助手中接收的數據如圖7所示。測試結果驗證了系統組網傳輸的可行性。

4 結語

本系統采用ZigBee和GPRS無線通信技術，為大氣污染監(jiān)測系統的建設提供了一種方便、靈活的解決方案。采用高性能Cortex-M3處理器STM32芯片作為主控制器，增強了系統的處理能力。該系統具有成本低、功耗小、無需布線、覆蓋范圍廣、采集數據量大、傳輸速率和精確度高、能實時在線監(jiān)測等優(yōu)點，解決了大氣污染的大范圍、實時、長期、在線監(jiān)測難題，具有良好的開發(fā)性和較高的實用價值。

[1] 彭剛華, 梁富生, 夏新. 環(huán)境監(jiān)測質量管理現狀及發(fā)展對策初探[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2006,22(2):46-50.

[2] 馬祖長, 孫怡寧, 梅濤.無線傳感器網絡綜述[J]. 通信學報, 2004,25(4):114-124.

[3] 周怡窹, 凌志浩, 吳勤勤. ZigBee無線通信技術及其應用探討[J]. 自動化儀表，2005,26(6):5-9.

[4] Ma Y, Richards M, Ghanem M, et al. Air pollution monitoring and mining based on sensor grid in London[J]. Sensors, 2008,8(6):3601-3623.

[5] 張兵, 林建輝, 伍川輝. 基于ZigBee技術無線傳輸網絡的設計與實現[J]. 儀表技術與傳感器, 2009(2):49-52.

[6] 周武斌，羅大庸. ZigBee 路由協議的研究[J]. 計算機工程與科學, 2009，31(6)：12-14,29.

[7] 于晅, 傅家祥, 肇云波. 基于GPRS與ZigBee的智能家居設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2007 (1):50-52.

[8] 張祖昶, 許建真, 錢輝兵,等. 基于GPRS的環(huán)境測控系統的設計與實現[J]. 中國新通信,2006(15):52-55.

[9] 張京江, 江武鵬, 張朝林, 等. GPRS/CDMA無線通信技術在GPS數據傳輸中的應用[J]．氣象科技，2007，35(1)：139-142．

[10]劉峰，韓春燕，林滸. 基于嵌入式TCP/IP的遠程GPRS控制終端的設計與實現[J].小型微型計算機系統，2006，27(6)：1069-1071.

[11]劉映輝,樊曉平,張純和,等. 基于ZigBee技術的無線數據采集系統設計[J]. 工業(yè)控制計算機,2008,21(8):5-7.

[責任編輯 尚 晶]

Design of air pollution monitoring system based on ZigBee and GPRS

MeiZhijian，MaYajie，XiaoFannan

(College of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

An air pollution monitoring system was designed based on ZigBee and GPRS, which consists of resource layer, middle layer and application layer. The ZigBee module is chosen in the resource layer to be the wireless networking module. STM32F107 microcontroller is used as the central control chip, which, together with sensors, constructs a monitoring node. The data collected from sensors are processed by the microcontroller first and then sent to the ZigBee module by serial communication protocol. After that, wireless sensor network transmits the data to data concentrator, which is composed of Zigbee module, microcontroller and GPRS module. The data concentrator relays the data to remote server by GPRS, which are deposited in real time into the database.The middle layer is responsible for the management of sensor network.Application layer accesses the database through the middle layer,obtaining related monitoring information and reporting the status of air quality.

air pollution monitoring; wireless sensor network; ZigBee; GPRS; concentrator

2014-04-16

國家自然科學基金資助項目(61104215)；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目.

梅志堅(1987-)，男，武漢科技大學碩士生.E-mail：mzj5062@163.com

馬婭婕(1974-)，女，武漢科技大學教授.E-mail：mayajie@wust.edu.cn

TP277；X84

A

1674-3644(2015)01-0063-04