基于分布式無線傳感器網絡的空氣質量監測系統的研究與設計

徐利謀　黃長遠

摘要：針對空氣監測面臨的網絡布線困難、成本高和實時性差的問題，文章提出了基于無線傳感器網絡的空氣質量監控系統，對系統架構、硬件和軟件進行了設計，實現了空氣質量分布式監測、數據無線傳輸和智能化分析。

關鍵詞：無線網絡；傳感器；空氣質量監控

國內經濟發展對環境的透支使得環境問題突出，嚴重的霧霾每年席卷京津冀地區，給人們正常生產和生活帶來影響，急需行之有效的應對措施來解決空氣污染問題。傳統定點巡檢和定點感知器監測的空氣污染物監測方式無法獲取實時數據，己不能滿足空氣質量監測需要，構建能對空氣質量實時采集和分析的環境監測系統成為亟待解決的問題。文章在掌握傳感器、無線網絡架構和無線傳感器網絡等技術的基礎上，在空氣質量監測領域開展了較為細致研究，提出了基于分布式無線傳感器網絡的空氣質量監測系統設計方案。

1.系統架構

基于分布式無線傳感器網絡的空氣質量監測系統涵蓋數據監測終端、數據傳輸模塊和監控中心3個功能模塊，主要架構如圖1所示。系統工作過程如下：分布在監控區域內的氣體、溫濕度、氣壓傳感器將獲取到有關空氣質量數據采用ZigBee技術發送到數據傳輸模塊，GPRS網關節點使用GPRS網絡和Internet網絡將匯集到的空氣信息發送到監控中心，監控中心對數據進行處理后作出應急響應。

數據監測終端布置在重點監測區域，通過各類傳感器獲取空氣數據信息，將獲取到的信息進行整理、分析和打包后通過無線網絡傳送到監測中心。

數據傳輸模塊中收到監測終端傳輸的空氣信息后，使用無線傳輸協議將信息打包，使用ZigBee，GPRS和Internet網絡，通過各種網關和路由使監測終端獲取的氣體污染物、溫濕度、氣壓等信息及時傳送到監控中心。

監控中心通過數據傳輸模塊與監測終端進行雙向通信收發空氣質量信息，各監測終端獲取的空氣信息經處理后添加到SQL Server數據庫，并通過可視化界面和Web網頁瀏覽模式提供給相關部門及其他用戶。

2.系統設計

2.1監測終端

監測終端主要由氣體、溫濕度、氣壓采集模塊、設備控制模塊、ZigBee傳輸模塊、存儲模塊和電源模塊組成。監測終端采用低成本的8位AVR單片機，軟件系統的設計在ICCAVR上進行開發，終端系統采用ATMEL公司的ATMEGA128芯片作為CPU處理器，使用Chipcon公司的CC2420模塊作為收發數據的ZigBee通信模塊。氣體傳感器采用可高精度監測CO，SO2、氮氧化合物等污染氣體濃度的瑞士MEMBRAPOR生產的NOz/C-1，O3/C-5，NO/C-1，SO2/C-1，CO/CF-200等高精度傳感器設備。溫度、濕度傳感器采用瑞士盛世瑞恩公司生產的SHT1X系列產品。氣壓傳感器采用芬蘭VTL公司生產的SCP1000-D1數字傳感器。

2.2數據傳輸模塊

數據傳輸模塊由ZigBee網絡和GPRS網絡兩部分構成，主要負責完成監控終端和監控中心之間的數據交換。

（1）ZigBee網絡部分。該部分由網絡終端、路由器和協調器3個節點組成。ZigBee網絡控制核心采用ATmega328P單片機，實現對終端節點傳感器數據的采集與處理。各類氣體傳感器使用RS485接口通過集線器設備與微處理器相互連通，構建了鏈路簡單、傳輸高效的通信網絡。在ZigBee網絡終端節點中，傳感器通過RS-485串行通信接口與微處理器組成通信網絡，該通信網絡具有鏈路簡單、傳輸高效的特點。無線射頻模塊集成了單片機控制和無線編碼，與ATmega328單片機通過異步串行口連接，完成數據的接收和發送。串行時鐘芯片嵌入到單片機中，具有實時時鐘、日歷和RAM，可以根據控制指令完成不同的功能。（2）GPRS網絡部分。GPRS網絡部分主要由SIM900A、ATmega328P單片機、EEPROM芯片和電源模塊組成。GPRS模塊選用的是芯訊通無線科技有限公司生產的雙頻SIM900A模塊，SIM900A是一款尺寸緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求，可以內置應用程序實現更復雜。EEPROM芯片即插即用，用來存放硬件設置數據。

2.3監控中心

監測中心的軟件系統主要由通信模塊、數據庫模塊、數據處理模塊和主界面模塊4部分組成，其結構如圖2所示。監控中心采用模塊化結構設計，使用Java語言、SQL Server和Socket開發，具備主界面管理、系統設置、用戶管理、數據通信、監測點信息、系統日志、報表查詢、數據備份、數據恢復、退出等功能。監測中心的軟件設計實現了系統功能的完整性，同時兼顧系統將來的可擴展性、可靠性和兼容性。

3.結語

本文針對傳統空氣質量監測中網絡布線成本高、數據獲取實時性差等問題，開展基于分布式無線傳感器網絡的空氣質量監測系統的研究與設計。系統通過無線傳輸的形式獲取分布在不同區域的傳感器節點氣體、溫濕度、氣壓等信息，經過分析后獲知空氣污染狀況和主要污染物，為空氣質量監測部門提供重要依據，具有工作時間長、成本低的特點。經過現場測試，系統各項指標運行正常，基本滿足預定范圍內控制質量監測的需要。