基于LoRa的PM2.5在線監測系統研究*

閆卓宜，趙曉慶，劉世兵，劉 波

（山東工商學院 信息與電子工程學院，山東 煙臺264005）

隨著我國經濟的飛速發展，國家政府對環境污染問題越來越重視，雖然目前的環境問題有所改善，但是空氣中的PM2.5依舊超標。雖然各地區陸續安裝了監測站，但是由于大型監測站造價成本高、監測數量有限和設備部署不靈活，導致其傳輸信息存在實時性差、效率低等缺點[1]。采用當前研究的廣域物聯網技術，實現PM2.5顆粒物的大氣污染物實時監測系統，是一種有效的解決方案。

1 系統概述

針對監測設備工作環境、檢修困難且不易實時上傳監測數據等問題，選用LoRa和GPRS技術相結合的方式將采集到的氣體濃度數據上傳到云平臺。把LoRa和GPRS技術應用到監測氣體中，無需人為監測，可以在客戶端上查看監控區域內的PM2.5濃度信息。本系統利用LoRa無線通信技術實現氣體數據的無線傳輸，利用GPRS實現數據統一上傳服務器的功能，實現對監測區域的實時監控。

基于LoRa的在線監測系統主要由監測節點、監測中心節點、氣體傳感器、LoRa模塊、GPRS模塊、電源模塊組成。監測節點負責數據處理、數據顯示等功能；監測中心節點主要負責接收各節點數據并進行數據處理；氣體傳感器用于監測區域范圍內的氣體濃度；LoRa模塊實現采集數據的遠程傳輸功能；GPRS模塊實時將氣體濃度數據上傳到云平臺；電源模塊為整個系統提供充足的電能。本設計是將監測的氣體濃度數據實時上傳到云平臺，用戶通過訪問云平臺獲取氣體濃度信息。PM2.5監測系統結構設計圖如圖1所示。

圖1 監測系統結構設計圖

2 硬件系統設計

本設計采用32位處理器TM32F407ZGT6作為主控芯片，將氣體傳感器采集到的數據在顯示屏上顯示的同時，通過LoRa模塊無線傳輸到LoRa網關處，LoRa網關通過GPRS模塊將氣體濃度值上傳到云平臺。其系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

2.1 傳感器模塊

灰塵傳感器PM2.5傳感器是由國產公司夏普電子生產的一款光學空氣質量傳感器。該裝置中，設有一個紅外發光二極管和光電晶體管，對角布置成允許其檢測到在空氣中的灰塵反射光。傳感器中心有個洞可以讓空氣自由流過，定向發射LED光[2-3]，通過檢測經過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。其向外輸出的是模擬電壓值，且輸出的電壓值正比于所測得的粉塵濃度。

灰塵傳感器體積輕巧且檢測精度相對較好，所消耗的電流量低，與單片機的連接簡單，只需要一個串口連接單片機即可進行信息的傳輸，使得硬件設計得到極大簡化。傳感器模塊與微控制器USART2接口進行通信，連接方式如圖3所示。

圖3 灰塵傳感器電路

2.2 LoRa模塊

LoRa網絡架構是典型的星型拓撲結構，其中LoRa網關是透明傳輸的中繼[4]，連接后端中央服務器和終端設備。終端設備是單跳于一個或多個網關通信，而網關與節點間均是雙向通信[5]。LoRa的終端節點就是多合一環境傳感器，這些節點通過無線通信與網關連接，再通過3G網絡或者以太網絡連接到網絡服務器中[6]。在具體實現上，選取一款高性能LoRa通信模塊，集成在多合一環境傳感器中，實現多種環境信息的集中傳輸。LoRa模塊與微控制器（MCU）之間通過串口進行通信，將采集的PM2.5濃度數據通過LoRa模塊傳送到中心節點，實現數據的無線傳輸。本系統中LoRa模塊與微控制器USART1接口進行數據通信，連接方式如圖4所示。

圖4 LoRa電路圖

2.3 GPRS模塊

GPRS模塊在網絡透傳模式下，用戶的串口設備可以通過本模塊發送數據到網絡上指定的云平臺。模塊也可以接受來自云平臺的數據，并將信息轉發至串口設備。用戶不需要關注串口數據與網絡數據包之間的數據轉換過程，只需通過簡單的參數設置，即可實現串口設備與網絡服務器之間的數據互傳。在系統運行過程中，GPRS模塊與微控制器通過串口進行數據傳輸，通過無線透傳的方式上傳至云平臺中，GPRS模塊與微控制器的連接方式如圖5所示。

圖5 GPRS電路圖

3 軟件系統設計

本設計采用C語言進行模塊化程序設計。主要包括時鐘初始化、串口初始化、LCD液晶屏初始化、數據處理、數據顯示、數據傳輸等。在信號采集方面采用連續采集方式；數據處理主要包括數據幀的組成[7]，數據幀的解析；數據傳輸主要是將數據傳給LoRa模塊處理，然后將數據發送到LoRa網關并通過GPRS模塊上傳至云平臺，實現數據遠程傳輸；液晶顯示主要實現的功能是將采集到的PM2.5的濃度值在LCD液晶屏上實時顯示。監測設備的軟件運行流程圖如圖6所示。

圖6 監測設備軟件運行流程圖

4 實驗測試

將監測裝置放置在校園內進行監測，本系統進行了一個星期的實時監測測試，選取了其中一天的數據進行記錄，從9時到15時每隔一個小時記錄下監測的氣體濃度，進行7次的記錄，記錄數據如表1所示。并根據記錄下的氣體數據繪制了氣體濃度趨勢圖如圖7所示。

圖7 PM2.5氣體濃度趨勢圖

表1 監測PM2.5的濃度數據

在對本系統進行測試中，可登錄云平臺實時監測氣體濃度同時還能夠顯示設備是否在線，滿足實時監測PM2.5濃度的需求。在測試過程中設備運行狀態穩定，上傳數據的速度也非常快，可以滿足實時性的需求。

5 結束語

本文主要研究和設計了一種基于LoRa的PM2.5在線監測系統，設計了該系統的硬件和軟件設計流程。該系統由氣體數據采集發送和數據接收傳輸裝置組成，氣體數據采集發送裝置主要采集各個區域內的PM2.5氣體濃度并把數據發送給監測中心節點，監測中心節點把接收到的氣體濃度數據上傳到云平臺進行氣體濃度的實時監測，本系統后續還可以繼續改進和優化，提高空氣質量監測系統的穩定性和精確性，還可以設計手機APP，實現在手機頁面上監測氣體濃度信息。