構(gòu)建基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

□ 文 李旭

構(gòu)建基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

□ 文 李旭

1. 引言

隨著霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)，空氣質(zhì)量越來越受到人們重視。但人們關(guān)注并監(jiān)測室外空氣質(zhì)量的同時，對室內(nèi)的環(huán)境空氣質(zhì)量卻缺乏足夠的關(guān)注與重視。據(jù)統(tǒng)計，全球近一半的人處于室內(nèi)空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境問題對我們來講，就顯得尤為主要。

除了對人體健康的危害，一些例如制藥工廠和汽車噴涂車間的工業(yè)環(huán)境，在工作時對空氣里的粉塵顆粒數(shù)量有極為嚴格的要求，超過一定數(shù)量就會影響工藝運轉(zhuǎn)和最終的產(chǎn)品品質(zhì)。這些行業(yè)的現(xiàn)狀往往是在生產(chǎn)過程中定時的用空氣微小顆粒計數(shù)器來檢測粉塵顆粒數(shù)量。

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采用新型激光檢測原理的粉塵傳感器、溫濕度傳感器以及TVOC等空氣質(zhì)量檢測傳感器作為信息采集終端；采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)ZigBee協(xié)議來進行通信組網(wǎng)；采用云服務(wù)器來搭建監(jiān)控中心；采用大屏幕、PC、智能手機等多種方式來作為顯示終端；整體構(gòu)架起了一個運行穩(wěn)定、響應(yīng)快速、數(shù)據(jù)準確的新型空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，可以對任何場景的室內(nèi)環(huán)境進行實時在線的空氣質(zhì)量監(jiān)測，既可以為人們的身體健康保駕護航，也可以為企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量控制提供有效依據(jù)。

2. 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)主要有終端傳感器感知節(jié)點、ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、顯示終端四大部分組成，可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、匯聚層、應(yīng)用層四個層次。如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

終端感知節(jié)點是以PM2.5傳感器為核心，兼容溫濕度、TVOC、甲醛、二氧化碳等傳感器的新型空氣質(zhì)量檢測終端，可大量安裝在各種室內(nèi)環(huán)境內(nèi)，負責(zé)測量空氣中的粉塵顆粒及有害物質(zhì)的含量，判斷空氣質(zhì)量。ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)包括無線傳輸模塊和ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)把終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心接收所有終端節(jié)點的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，并及時記錄；建立監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)和分析結(jié)果預(yù)測、預(yù)報室內(nèi)區(qū)域環(huán)境污染狀況及發(fā)展趨勢，為有效控制室內(nèi)環(huán)境狀況提供科學(xué)依據(jù)。顯示終端從監(jiān)控中心調(diào)取所需數(shù)據(jù)，提供給觀察者進行查看，從而實時了解自己的環(huán)境空氣質(zhì)量信息。

圖2 感知節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

圖3 激光檢測粉塵顆粒原理圖

3. 硬件設(shè)計

終端感知節(jié)點由各類傳感器、ZigBee無線傳輸模塊、電源模塊、微處理器控制模塊組成。不同功能模塊采用模塊化設(shè)計，這樣可以實現(xiàn)各模塊的并行設(shè)計、調(diào)試，縮短開發(fā)周期，同時也便于后期更換和擴展傳感器，從而方便后期維護和更新?lián)Q代。感知節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 PM2.5檢測模塊

PM2.5檢測模塊采用激光散射原理為基礎(chǔ)，由專用的激光模塊產(chǎn)生一束特定的激光，當顆粒物經(jīng)過時，其信號會被超高靈敏的數(shù)字電路模塊檢測到，通過對信號數(shù)據(jù)進行智能識別分析得到顆粒計數(shù)和顆粒大小，進而通過粒子濃度轉(zhuǎn)換方法得出懸浮顆粒物的濃度。激光檢測原理如圖3所示。

PM2.5傳感模塊設(shè)計為一個通用性、小型化模組，根據(jù)空氣流動學(xué)原理設(shè)計氣路系統(tǒng)，采用高性能激光器與感光部件，內(nèi)置風(fēng)扇，集成度高，有良好的準確性、穩(wěn)定性，最小分辨顆粒直徑 0.3微米。

3.2 TVOC檢測模塊

TVOC可揮發(fā)性氣體檢測模塊采用微機械技術(shù)的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）工藝，設(shè)計為一個小巧耐用、結(jié)構(gòu)緊湊的小型化模組，可測量VOC氣體濃度，并轉(zhuǎn)化為CO2當量，并可輸出TVOC值。

3.3 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊采用專用的溫濕度采集技術(shù)，確保模塊具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性，模塊包括一個電容式感濕元件和一個高精度集成測溫元件，并與一個高性能微處理器相連接。模塊使用己校準數(shù)字信號輸出技術(shù)，響應(yīng)快速，抗干擾能力極強。

圖4 ZigBee組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 甲醛檢測模塊

甲醛檢測模塊設(shè)計為一個通用型、小型化模組，利用電化學(xué)原理對空氣中存在的CH2O 進行探測，將成熟的電化學(xué)檢測技術(shù)與精良的電路設(shè)計緊密結(jié)合，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性。模塊可根據(jù)溫度變化進行補償，具有數(shù)字輸出與模擬電壓輸出。

3.5 ZigBee無線傳輸模塊

ZigBee無線傳輸模塊是本系統(tǒng)一個重要基石，加載ZigBee模塊的檢測終端才能成為一個個的物聯(lián)網(wǎng)終端信息節(jié)點。ZigBee是現(xiàn)今工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，具有非常靈活的強大自組網(wǎng)能力，很適合用于多點監(jiān)測的應(yīng)用。

ZigBee無線傳輸模塊由射頻通信模塊、微處理模塊（MCU）、ZigBee無線通信協(xié)議構(gòu)成，本模塊使用433MHz頻率進行組網(wǎng)，大大提高了穿透力及傳輸距離。通過預(yù)先配置后，每個節(jié)點的ZigBee可以承擔(dān)終端節(jié)點、路由節(jié)點及協(xié)調(diào)節(jié)點，每個節(jié)點可以自由組網(wǎng)。

Z i g B e e無線傳輸模塊數(shù)據(jù)傳輸速率在10KB/s～250KB/s，搜索設(shè)備時延為 30ms，休眠激活時延為 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納65000個節(jié)點，組網(wǎng)能力強大，自愈能力強，通信可靠。提供數(shù)據(jù)完整性檢查和健全功能，采用 AES-128 加密算法。

4. 監(jiān)控中心及軟件設(shè)計

監(jiān)控中心由路由器、防火墻、服務(wù)器、監(jiān)測系統(tǒng)管理程序及數(shù)據(jù)庫等軟硬件組成。其主要任務(wù)是監(jiān)控管理各個檢測終端節(jié)點，定時收集各檢測終端節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，存入數(shù)據(jù)庫并進行處理，提供各種報表和曲線圖，實現(xiàn)報警功能，實時為管理人員提供匯總數(shù)據(jù)和分析。

圖5 系統(tǒng)流程框圖

圖6 PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

監(jiān)控中心匯總所有檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)，并可設(shè)置用戶觀察頁面，以供觀察者使用智能手機、PC或大屏幕進行查看，實時了解其所關(guān)心的環(huán)境空氣質(zhì)量。

5. 實驗

實驗將監(jiān)控系統(tǒng)安裝在某公司辦公室內(nèi)，為了更好地采集數(shù)據(jù)，在此公司內(nèi)一共安裝了10個終端監(jiān)測節(jié)點，對空氣質(zhì)量進行24小時在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示。

P M 2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于終端監(jiān)測節(jié)點中的新型激光PM2.5監(jiān)測模塊，測量范圍可達（0～9 9 9 p p m）；顆粒物粒徑識別范圍（0.3～10um）；相對誤差（0～100ug/m3：±10；100～500ug/m3：±10%）；響應(yīng)時間為1～10秒動態(tài)響應(yīng)。看曲線圖分析，當10根不同顏色曲線差不多在同一高度位置時，說明10間辦公室空氣質(zhì)量基本一致，如統(tǒng)一偏高則是碰到霧霾天氣。通過對辦公室空氣質(zhì)量的實時監(jiān)測，可以對室內(nèi)辦公環(huán)境有直觀了解，并可進而關(guān)聯(lián)新風(fēng)或空氣凈化系統(tǒng)，對空氣質(zhì)量進行凈化改進。

6. 結(jié)語

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、傳輸可靠、響應(yīng)快速，可以很好地適應(yīng)各種不同室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量在線監(jiān)測，為使用者提供所需的各類空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用新型激光PM2.5傳感器為主的各種監(jiān)測模塊，均設(shè)計為通用化模組，為不同檢測需求提供了良好的擴展性；并且采用ZigBee無線傳輸技術(shù)作為組網(wǎng)方式，組網(wǎng)靈活，傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，這些都為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了扎實基礎(chǔ)。■

（本文為上海市軟件和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金資助課題，批準號：滬經(jīng)信信【2015】509號，150603。作者單位：上海光維通信技術(shù)股份有限公司）