基于WiFi的空氣質量實時監測系統設計

張高敏 王飛飛 周志青

摘 要： 合理規劃城鎮道路，減少汽車尾氣污染成為城市規劃建設的重要環節。為了定量統計汽車尾氣對城市空氣污染程度，實時監測城市道路周邊空氣質量變化情況，提出一種基于WiFi城市道路空氣質量實時監測系統。通過在道路沿線設置多個無線監測節點采集空氣污染物數據，經無線網絡傳輸至中心服務器，為城鎮道路規劃決策的合理性提供理論依據。實驗結果表明，空氣污染物監測結果穩定可靠，可較好地應用于城市道路空氣污染物的檢測。

關鍵詞： 定量統計； 空氣質量； 道路規劃； 數據采集

中圖分類號： TN926?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0076?04

Design of WiFi?based real?time monitoring system for air quality

ZHANG Gaomin， WANG Feifei， ZHOU Zhiqing

（College of Computer Science and Technology， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： Planning the roads reasonably and reducing pollution from car exhaust have become an important part of the urban planning and construction. In order to conduct quantitative statistics for the level of air pollution from motor exhaust and real?time monitoring for the change of the air quality around city roads， a WiFi?based real?time monitoring system for air pollution around city roads is put forward. A number of wireless monitoring nodes are set up to collect air pollutant data along the roads， and transmit the data to central server， which provide a theoretical basis for decision?making of urban road planning. The experimental results show that the air pollutant monitoring result is stable and reliable， and can be better used to detect air pollutants around urban roads.

Keyword： quantitative statistics； air quality； road planning； data acquisition

0 引 言

隨著城鎮化改造規模的加大，城鎮市區機動車保有量持續上漲，不可避免地造成交通排放廢氣量的增加，連同生活和工業污染，使環境空氣質量不斷下降[1]。這些問題如果不能引起足夠重視，就可能導致空氣質量的進一步惡化，直接影響我國經濟的可持續發展[2]，2015年1月1日實施的新《環境保護法》也明確要求國家建立、健全環境監測制度。

機動車尾氣排放對城市空氣質量的影響逐漸引起決策者的重視。根據經濟可持續發展的要求，他們在強化城市環境管理、科學制定環保法規和城市整體規劃，提高政府對大氣污染事故的應急處理能力等方面都制定了相應法規。從加強公眾監督，提高環保意識，推動環保科研等方面的考慮，還需要環保監測部門提供大量準確可靠和連續及時的環境監測依據。目前，各個大中城市都按照國家要求在市區內多個區域建立空氣監測站，但受限于地方經濟發展，監測站點資金投入，城市空氣環境監測整體布局還存在眾多不足之處[3]。許多城市在環境空氣質量必測項目的監測上，還存在人工采樣、送樣、實驗室分析的監測方法[4]，不僅費工、費時，且樣品捕獲率低、分析時間長、數據上報慢和信息量少，其監測結果不能很好地反映出城市環境空氣污染在空間和時間上的變化現狀和規律，對城市環境空氣中主要污染物的擴散趨勢及影響不能做出連續的判斷，從而影響了城市環境管理水平的提高。特別是隨著各種環境污染源的不斷增加和污染事故的不斷發生，有些城市環境空氣污染在某些方面惡化趨勢已初露端倪。

1 監測系統工作原理

為了降低系統成本，提高其通用性和擴展性，城市道路空氣質量實時監測系統采用樹形無線組網結構組成一個無線傳感網。樹的每一個葉子節點連接一個數據采集終端，通過無線網絡逐級匯聚到匯聚路由節點，最后把匯聚節點數據傳輸到服務器分析存儲[5]。監測的空氣質量參數主要有溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等，通過抽氣風機與對應監測的傳感器、排氣口等組成采樣系統，使終端節點具有數據采集和無線傳輸功能，具體結構如圖1所示。

（1） 傳感采集節點包含多個空氣質量污染物定量檢測傳感器，對其覆蓋區域內的檢測數據進行實時采集，并把這些數據通過I/O口發送到單片機，單片機經過編碼協議后通過串口轉WiFi無線通信模塊把數據發送到中繼節點。

（2） 中繼節點作為數據中轉設備，把其配置為STA+AP模式，把接收到下級串口轉WiFi無線通信模塊的數據轉發到匯聚節點，匯聚節點同樣配置為STA+AP模式。

（3） 匯聚節點之后接路由器，使數據處理服務器能夠通過TCP/IP協議解析出傳感采集節點的數據，對這些數據按協議解碼，得到實時定量的空氣污染物指數并存儲到數據庫中，實時分析、報告預警和遠程控制，供顯示終端實時查看當前數據或以往數據。

（4） 控制中心可以通過設置數據處理服務器與Internet網絡，使外部網絡也能夠訪問到監測數據。

2 監測系統整體設計

2.1 硬件系統設計

2.1.1 傳感器采集硬件設計

傳感器采集節點是空氣質量實時監測系統的核心部分，該節點使用高靈敏度電化學傳感器，包含溫濕度傳感器，集成的CO，NO2，SO2的傳感器模塊，PM2.5和PM10傳感器模塊等。溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度模塊，工作電壓為3.3～5 V，數字量輸出，可以直接連到單片機的一個I/O口上；MQ?7一氧化碳傳感器模塊模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高，通過A/D轉換器后送給單片機；SO2傳感器采用高性能的2SH12半導體傳感器，該傳感器廣泛應用于工業中SO2氣體的檢測，對SO2有很好的選擇性；粉塵顆粒檢測選擇GP2Y1010AU0F型號的傳感器，2 400 b/s的波特率串口輸出。組成空氣質量實時監測系統的數據采集單元和數據處理發送單元的結構如圖2所示。

2.1.2 單片機與WiFi通信設計

C8051F340使用Silicon Labs的專利CIP?51微控制器內核，與MCS?51TM指令集完全兼容。CIP?51內核具有標準8052的所有外設部件，包括4個16位計數器/定時器、2個具有擴展波特率配置的全雙工UART、1個增強型SPI端口、多達4 352 B的內部RAM、128 B特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達40個I/O引腳。

數據發送采用小尺寸低功耗USR?WIFI232?T模塊，支持IEEE 802.11 b/g/n無線標準，無線網絡類型可配置為STA/AP/STA+AP，可以采用WEP/WPA?PSK/WPA2?PSK方式進行加密。該模塊硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發單元以及功率放大器，提供一種將用戶的物理設備連接到WiFi無線網絡通信方法。幫助用戶實現串口到WiFi數據報的雙向透明轉發，用戶不必關心具體實現細節，在模塊內部完成協議轉換。串口一側的數據透明傳輸，WiFi一側采用TCP/IP數據包，通過簡單設置即可指定工作細節。模塊的網絡配置可以通過模塊內置網頁進行，也可以通過串口使用AT指令進行，一次設置可永久保存。C8051F340和USR?WIFI232?T的硬件電路接口如圖3所示。

2.1.3 中繼節點和匯聚節點設計

在整個空氣質量實時監測系統中，中繼節點和匯聚節點起承上啟下的作用。中繼節點和匯聚節點可以采用工業路由器配置為STA+AP模式來收集各個采集節點的數據進行融合，最后通過TCP/IP協議進入到監控中心的服務器。在監控系統中主要采用有人的USR?WIFI232?T型的串口轉WiFi模塊和華為榮耀路由分別作為采集節點發送方和中繼匯聚節點的轉發接收方。

圖3 單片機和WiFi硬件電路圖

2.2 軟件系統設計

2.2.1 網絡通信配置

傳感采集節點上電后首先進行系統初始化，把自身作為一個STA節點，搜索設定好的AP匯聚節點并接入。WiFi無線網絡是本系統的核心部分，為防止網絡連接出現問題，特意在傳感器節點設置心跳包。一方面服務器端通過定時廣播地址查詢網絡中的各個傳感采集節點，來檢測服務器控制端、匯聚節點和傳感采集節點之間的雙向通行狀態；另一方面通過傳感采集節點自身設置的定時計數器來檢測自身與匯聚節點之間的網絡連接情況。通過兩方面考慮來保證數據無線傳輸的可靠性。傳感采集節點的程序流程圖如圖4所示。

2.2.2 監控終端軟件設計

監控系統軟件設計主要包括網絡通信和數據庫存儲兩部分[6]，在接收WiFi網絡數據的基礎上實現。考慮到系統的實用性和擴展性，軟件設計選用基于Socket通信協議和SQL數據庫[7]。 監控管理人員通過監控終端管理軟件，可以實時刷新數據，設定終端自動上傳數據的頻率，對空氣檢測指數生成日報表、月報表等，便于工作人員操作分析和管理。

軟件還具有報警監控功能，可以自主對報警參數進行設置，方便用戶根據實際需要靈活設定每個監控點的任何一個監控指標的報警參數。系統自動完成對監測到的各種數據的上報和自動提示功能，并將各種報警項目自動寫入系統日志，在高度污染情況下界面上的報警區域由一般的綠色變為報警的紅色或黃色，為之后采取相應治理措施提供依據。空氣質量實時監測系統監控終端軟件的設計流程圖如圖5所示。

3 測試結果及分析

實驗測試選擇平頂山市建設路和凌云路交叉口，在交叉口的四個交通信號燈燈柱上距離地面50 cm處分別設置一個傳感采集節點，每一個節點都有固定的ID號來區分不同節點的數據。

將各個節點監測的溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等數據通過WiFi網傳入數據中心進行匯總分析并處理，處理結果如表1所示。

本次實驗采用GY3000型便攜式煙氣分析儀作為參考值，實驗數據的采集時間為16：00，受風向、風速的影響，各個監測點采集數據略有差異，但實驗結果誤差較小，基本符合監測要求。

4 結 語

通過大量測試工作，本文的空氣質量實時監測系統具備濃度監測與報警功能，既可以用于監測空氣中溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等數據，還可以進一步擴展傳感器類型以用于其他數據監測，具有很好的擴展性。同時，本系統具備操作簡單、安裝便捷、成本低廉、適應性強等特點，具有廣闊的市場應用推廣前景。當然系統中還存在不足之處，有待進一步完善。監測數據的準確性依賴于傳感器性能，當傳感器數據采集誤差較大時，監測控制終端將無法正常顯示，下一步將對傳感器數據誤報通過恒虛警算法從底層保證數據的可靠性和準確性。

參考文獻

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