基于WEB的空氣質量實時監測系統

摘要：基于WEB模式的空氣質量實時監測系統，使用SO2﹑NO2﹑CO﹑O3氣體傳感器、細顆粒物（PM2.5） 傳感器，以STC12LE5A16S2單片機為核心控制器，通過GPRS網絡將采集的數據發送到互聯網的指定服務器上，監測結果以WEB形式呈現給用戶。該系統可以實現遠程全自動監控，對當前空氣質量進行評價，隨時隨地為用戶提供空氣質量信息服務，可以為預測空氣質量提供依據，實現了對空氣質量數據的采集與監測、管理及分析。

關鍵詞：空氣質量；實時監測；STC12LE5A16S2

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）02-0469-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.02.052

霧霾是臨時性大氣污染造成的，不易受控制，所以實時監控設備對人們出行顯得特別重要。WEB空氣質量實時監測相比使用傳統的空氣采樣并利用化學方法計算濃度的測量時間少，也很方便[1]。WEB空氣質量實時監控是為企業和家庭用戶定制，將小范圍內的空氣污染詳細數據提供給用戶，為用戶提供出行方案。該系統能夠實現對空氣質量參數，如PM2.5、CO、O3、NO2、SO2等參數遠程自動監測，并根據參數及近段時間空氣質量信息，提出出行方案、健康提示。

1 系統網絡拓撲圖

氣體傳感器將空氣污染物濃度信號傳到AD轉換芯片，AD轉換芯片將模擬信號轉換為數字信號，單片機接收、分析、處理數字信號，再加密數據后傳輸給GPRS模塊，使用GPRS網絡，內置TCP/IP協議，將加密后的數據發送到服務器端，服務器端接收數據并提取轉換實際有效的數據，寫入到數據庫，數據庫存儲海量數據，為WEB前臺提供接口，WEB前臺調用指定數據庫的數據并進行顯示。系統網絡拓撲圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

傳感器將采集的空氣各參數濃度值以電壓形式送往AD轉化芯片。AD轉化芯片將各個參數模擬量轉化為數字量以供中央處理器進行數據分析、處理，再加密。GPRS數據發送模塊將處理后的數據發往服務器端，以完成數據從采集到處理到發送的整個系統需求。整體硬件結構如圖2所示。

2.1 傳感器

SO2﹑NO2﹑CO﹑O3氣體的檢測分別使用了TGS-SO2﹑WSP1110﹑ME2-CO﹑MQ-131傳感器。MQ系列傳感器是在潔凈空氣中使用的電導率低的氣敏材料，其采用高低溫循環檢測的方式檢測氣體，傳感器的電導率隨空氣中的氣體濃度增大而增大，轉化為與該氣體濃度相對應的輸出信號。對于PM2.5的粉塵檢測使用了夏普粉塵傳感器 GP2Y1010AU，它發射一定頻率紅外光，借以粉塵對光的漫反射將紅外光反射到光敏二極管上，從而改變傳感器輸出的電壓，隨著粉塵的增多，輸出的電壓也成一定的比例增加。傳感器采集模塊采用簡單可靠的電路設計，空氣氣體中氣體濃度的變化改變著傳感器輸出的模擬電壓值，將模擬值送入模數轉化芯片ADC7888，進而進行后期的數據處理。傳感器的輸出電壓和空氣的氣體濃度成一定的比例關系，為系統數據的穩定性、真實性提供有力的保障。傳感器設計電路如圖3所示。

2.2 GPRS模塊

傳輸模塊選擇了SIM900A的GPRS雙頻模塊，具有尺寸小、硬件接口多、功耗低、傳輸數據量大、速度快、通信協議簡單等優點，最重要的是其內嵌TCP/IP協議，使網絡數據傳輸更方便。GPRS模塊網絡數據的傳輸無地域限制、無時間限制、無信息量限制[2]。單片機通過串口和該模塊進行通信，發送AT命令完成重要的信息通信，如模塊的開機、關機、信息的接收和發送等操作。

2.3 電源管理模塊

系統提供雙電源供電有效保障產品在突發事件的應急性，并且設計三路穩壓分別為各模塊供電，保證系統的穩定性。電源電路采用78M05、LM2940穩壓芯片分別為傳感器和AD芯片及各部分電路供電。采用開關電源MIC29302為單片機和GPRS模塊供電。電源模塊設計電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

系統總的軟件由4個部分組成，分別為底層STC12LE控制程序、服務器數據接收程序、數據庫存儲程序、WEB前端顯示程序。底層STC12LE程序是用來控制采集數據和將數據發送到GPRS網絡上。服務器數據接收程序將網絡上接收的數據解碼還原成真實的濃度值，并根據當前的時間寫入到數據庫中。數據庫存儲程序主要是將數據快速的存儲到數據庫中，建立索引方便查找。WEB前端顯示程序根據用戶的請求顯示不同的數據。

3.1 底層STC12LE控制程序

底層STC12LE控制程序主要是監測控制各個模塊的狀態，并將AD轉換的數據通過GPRS模塊發送到GPRS網絡進而發送到互聯網。首先程序進行一系列的初始化，再檢查GPRS模塊是否連接到網絡，產品的編碼等待服務器回應，將產品編碼后發送0x00，GPRS模塊將收到的0x00轉發到STC12LE串口2，STC12LE收到信息后表示響應成功，接下來開始AD轉換，將轉換好的數據通過GPRS模塊發送到服務器上。同時每隔10 min發送1次，直到用戶停止或者收到停止的信息停止發送數據。底層STC12LE控制程序見圖5。

3.2 服務器數據接收程序

數據接收程序是用VC6.0基于MFC編寫的，主要的功能是從網絡上的大量數據中提取有效數據并轉換成真實的濃度，實時的寫入到數據庫中。該程序的主要技術有：界面編程、多線程、網絡編程、數據庫編程等。WIN32接收數據程序框圖見圖6。

3.3 數據庫存儲程序

Microsoft SQL Server 2005 是一個全面的數據庫平臺，使用集成的商業智能（BI）工具提供了企業級的數據管理[3，4]。Microsoft SQL Server 2005數據庫引擎為關系型數據和結構化數據提供了更安全可靠的存儲功能，可以構建和管理用于業務的高可用和高性能的數據應用程序。

3.4 WEB前端顯示程序

IIS是一種Web服務組件，其中包括Web服務器、FTP服務器、NNTP服務器和SMTP服務器，分別用于網頁瀏覽、文件傳輸、新聞服務和郵件發送等方面，它可以使得在網絡上發布信息成為一件很容易的事[5，6]。

4 實例應用

表1為2014年10月15日測量一天的日均值實時顯示結果。由表1可以看出，其中PM2.5日均值是0.029 548 mg/m3，O3日均值 0.1 mg/m3，CO日均值是6.001 mg/m3，NO2的日均值是 0.080 445 mg/m3，SO2日均值是 0.050 099 mg/m3。

再根據我國城市空氣質量日報API分級標準參考，空氣質量指數AQI為55，空氣質量良好。同時，測出當天某一段時間內可吸入顆粒物濃度的變化，可以看出變化量比較大。同樣在上位機上可預測到2014年11月10日西安空氣質量指數AQI為87，為二級，空氣質量良好。

5 小結

本研究設計了WEB空氣質量監測系統，實現了各個氣體傳感器將模擬空氣濃度模擬信號傳到AD轉換芯片將模擬信號轉換為數字信號，單片機接收、分析、處理數字信號，再加密數據后傳給GPRS模塊，使用TCP/IP協議，將加密后的數據發送到服務器端，服務器端接收數據并提取轉換實際有效的數據寫入到數據庫，服務器端是基于多線程網路數據庫的后臺程序，同時可以支持客戶訪問的連接、處理，并寫入到數據庫，為WEB前臺提供接口，WEB前臺調用指定數據庫的數據并進行直觀顯示。

參考文獻：

[1] 邵華鋼，程 勁，王 輝，等.面向物聯網的系統及其中間件設計[J].計算機工程，2010，36（17）：84-86.

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[3] 景 博，李金粱，等.嵌入式Web傳感器網絡通信模塊的設計與實現[J].計算機工程，2006，32（2）：248-252.

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[6] 黃新燕，張承陽.基于web的開放式數控系統遠程檢測及診斷系統研究[J].機床與液壓，2007，35（11）：165-168.