智慧校園分布式數據采集系統研究

徐華宇

摘 要：為了實現遠程監測空氣質量，實時監測空氣中含有的微顆粒物PM2.5和PM10含量，本文利用C/S框架結構設計了智慧校園分布式數據采集系統。該系統的主要核心為空氣質量監測站和監測中心;空氣質量監測站作為客戶端利用嵌入式處理器LPC2129作為控制核心，利用傳感器SDS011對空氣中懸浮顆粒PM2.5和PM10的濃度數據進行采集，并將采集好的數據通過GPRS模塊SIM900A建立與監測中心服務器是TCP/IP網絡連接，進行數據的實時上傳。服務器對接收到的數據進行處理，統計分析和顯示儲存，并生成時、日、月、年的報表。同時還設立了對外API接口，支持智能手機APP的開發，實現數據的共享，為市民制定出行計劃提供方便。

關鍵詞：遠程集中監測;無線通信;空氣質量;智慧校園

中圖分類號：TQ015? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0102-04

Research on Distributed Data Acquisition System of Smart Campus

Xu Huayu

（Shaanxi Institute of Technology， Xi an 710300， China）

Abstract：In order to realize remote monitoring of air quality and real-time monitoring of PM2.5 and PM10 content of micro-particulate matter in the air， a distributed data acquisition system for smart campus is designed based on C/S framework. The main core of the system is the air quality monitoring station and monitoring center; the air quality monitoring station as the client， using the embedded processor LPC2129 as the control core， using the sensor SDS011 to collect the concentration data of PM2.5 and PM10 in the air， and the collected data is connected to the monitoring center server TCP/IP network through the GPRS module SIM900A to upload the data in real time. The server processes the received data， performs statistical analysis， displays and stores， and generates hour， day， month， and year reports. At the same time， an external API interface is set up to support the development of smart phone APP， realize data sharing， and provide convenience for citizens to make travel plans.

Key words：remote centralized monitoring; wireless communication; air quality; smart campus

現代工業對資源的利用給人們的生活帶來了便利。但工業發展的同時，廢氣的排放造成了嚴重的空氣污染，有些城市甚至出現了霧霾天氣的現象，對人們的身體健康產生了極大的影響。為了增強對排污企業的管理，更好的監控城市懸浮顆粒物濃度，給政府環境監測部門提供數據支持。本文利用無線通信技術設計了智慧校園分布式數據采集系統。本系統特點在于，利用智慧校園的模型，通過部署在城市各個角落的空氣質量監測站對細顆粒濃度數據收集并記錄，完成對空氣質量的監測。同時給環境監測部門提供數據接口，完成實時數據更新及資源共享。并能實時發布空氣質量變化情況，給居民出行提供便利。

1 系統整體結構設計

形成霧霾天氣的主要原因是空氣中PM2.5和PM10的細顆粒物質含量過多，中國環境環保部也針對每立方空氣中細顆粒物質的含量定義了相應的等級。故本系統主要針對空氣中PM2.5及PM10含量做出研究。該系統的主要結構是空氣質量監測站和監測中心。通過城市規劃，將空氣質量監測站設立在城市需要進行空氣質量監測的角落。采用C/S架構模型與監測中心的服務器連接，完成數據實時更新。系統總體結構構建如圖1所示。

1.1 空氣質量監測站數據傳輸過程

數據傳輸過程是將設立的空氣質量監測站作為客戶端，利用里面的無線模塊訪問GRPS網絡，再接入公網，通過訪問監測中心的服務器TCP/IP網絡與之建立連接，從而實現數據的實時上傳。服務器接收到上傳數據以后，對數據進行一定的處理，使之實時顯示在監視器中，并且將處理好的數據存入數據庫SQL2008中。同時，為了保障數據傳輸和系統的安全性，在設計的時候增加了防火墻進行物理隔離，避免服務器受到惡意入侵造成數據丟失。

1.2 空氣質量數據共享過程

在監測中心的服務器中設立了對外接口API，環境監測部門的服務器可以通過與接口的連接實現數據的共享，起到一定的監測作用。并根據數據判斷空氣污染情況，針對性的采取相應措施，達到凈化空氣的作用。同時這個接口還支持智能手機的APP開發，居民能夠通過智能手機下載的APP實時獲得所在地的空氣質量信息，從而合理安排出行計劃。

2 空氣質量監測站硬件設施

空氣質量監測站硬件條件直接決定了數據的準確度，為了達到最好的效果，本系統采用的硬件設施有嵌入式控制器LPC2129、細顆粒傳感器SDS011、調理電路、GRPS無線通信模塊SIM900A、固態存儲器、電源管理電源、LED顯示屏、鍵盤及指示燈。具體結構如圖2所示。

從圖2即可看出，空氣質量監測系統采用的是太陽能發電裝置，將太陽能轉化為電能。另外該系統還設置了蓄電池，除去設備所需電量之外，還能將多余的電能儲存起來，避免資源的浪費。在節點中還設立了電量監測模塊，當電量低于設置值，會發出報警信號，有效預防因為電量不足導致的數據流失。另外，為了保證數據的連續性，該系統還配有存儲器設計。如果在數據上傳時出現網絡中斷問題，數據會臨時保存在本地儲存器中，待網絡恢復后自動上傳，避免因為斷網造成數據流失。

2.1 細顆粒傳感器SDS011

細顆粒傳感器SDS011是空氣質量監測系統的核心，主要由測量腔體、激光源、受光元件、濾波放大及微控制器組成。利用激光散射原理，通過激光照射到檢測位置的顆粒物產生的光散射波形判斷顆粒物直徑，再根據不同波形的分類統計進行一定的換算，就能得到不同粒徑的顆粒物在該時段的實時濃度。

細顆粒傳感器SDS011基本介紹;細顆粒傳感器SDS011能夠分辨的最小的顆粒直徑：0.3μm;量程：0～999.9μg/m3;供電電壓：5V;最大工作電流：100mA;休眠電流：2mA;場景變換時間小于10s;相對誤差小于10%;具有精度高，穩定性和一致性較好的特點。能夠準確測量PM2.5及PM10的濃度。具體結構如圖3所示。

為了減小系統功率的消耗，提前設置一小時的采集周期。通過細顆粒傳感器SDS01與嵌入式控制器LPC2129的串口連接，將感應到的PM2.5及PM10濃度數據進行周期性輸出。在數據采集完成以后，傳感器自動進入休眠狀態，達到減小系統功率小消耗的作用。

2.2 GRPS無線通信模塊SIM900A

GRPS無線通信模塊SIM900A是與監控中心服務器連接的重要部分，處理器為ARM9216EJ-S;工作頻率為GMS/GPRS 850/900/1800/1900Hz。里面還設有TCP/IP協議棧，多IP接入也沒有問題。降低語音、短消息、數據和傳真信息傳輸的功耗。接口采用工業全功能UART標準，能夠直接與控制器LPC2129連接，利用AT指令實現數據的實時收發。

為了確保數據的成功發送，在發送數據之前需要先與監控中心服務器的TCP/IP建立連接，具體方式是向SIM900A的串口發送指令“AT+CIPSTART”，接收到返回消息“CONNECT”則表示連接成功，即可進行數據的傳送，待數據傳輸完畢后，需要發送指令“AT+CIPCLOSE”斷開連接，接收到返回消息“CLOSE OK”就表示已成功斷開連接。

3 系統軟件設計

3.1 空氣監測站軟件設計

空氣監測站啟動以后，需要先進行系統初始化動作。再通過上文介紹的與服務器建立連接的方式收發指令，與服務器成功建立連接以后，讀取傳感器SDS011串口輸出的數據，即可得到PM2.5和PM10的濃度值。完成操作以后測量蓄電池所剩電量，并將采集時間、監測站編號和采集到的數據等信息打包上傳到監控中心的服務器。同時將有效信息展示在本地LED屏上，即操作完成，進入休眠狀態。待到設置好的n個小時以后，開始下一次循環。流程圖如圖4所示。

3.2 服務器管理軟件結構

服務器管理軟件主要結構分為功能子系統、數據庫管理、系統模塊和輸出模塊，是利用VC++6.0作為開發工具編寫。具有公網IP和端口號，且有專業光纖接入網絡，并且通過硬件防火墻對接入的IP進行物理地址過濾。

空氣質量監測站傳送到服務器的數據包需要先經過GPRS網絡進入到固定IP地址的硬件防火墻內。防火墻對接收的數據包通過端口映射功能轉發到服務器，完成與空氣質量監測網站TCP/IP網絡連接過程。在成功建立連接以后，將收集到的PM2.5和PM10的濃度數據進行預處理、校驗、分析和分類等處理。同時計算出每小時、每日、每月、每年的平均值，并將計算出來的數據顯示在監視器上，同時將數據上傳到數據庫SQL 2008中。服務器管理軟件結構設計如圖5所示。

4 測驗結果與分析

根據空氣中含有的細顆粒物PM2.5及PM10的含量不同（24h均值），中國環境環保部門也劃分出不用的空氣污染等級，如表1所示。

為了驗證該系統的實用性，本文選用現場測試實驗的方式進行驗證。首先在選定區域的東南西北中各設置一個環境檢測站，將他們編號#1～#5，設置4h的采集周期。對24h內收集的PM2.5和PM10濃度數據進行監測統計，結果如表2、表3所示。

從上面兩個表中的數據我們能夠得知， 在24h內，監測區域PM2.5與PM10的均值分別為80.7μg/m3、147μg/m3。通過與表1對比可知，該區域的空氣質量為輕度污染。

通過該實驗可得知，本文設計的系統能夠準確采集PM2.5和PM10的濃度數據，并對數據進行處理，使之能夠穩定傳輸且實時顯示，工作性能較為穩定，能夠給中國環境監測部門提供數據支持。并且該系統還能將監測到的數據進行儲存，便于執法部門的取證，實用性較高。

5 結語

文章設計的分布式空氣質量遠程集中監測管理系統采用了GPRS無線通信技術將細顆粒傳感器SDS傳感器采集到的PM2.5和PM10濃度數據進行實時上傳，共享到監測中心服務器上。監控中心的服務器對接收到的數據進行統計分析，顯示及數據庫管理。并且，監控中心的服務器還提供了對外API接口，支持智能手機APP的開發，不僅方便了執法部門的調查取證，還便于居民實時掌握空氣質量情況，合理安排出行計劃。并通過實驗驗證，證實了該系統的穩定性和實用性，能夠實現遠程對某些區域空氣中PM2.5顆粒和PM10顆粒濃度集中監控，加強對排污企業的有效管理。

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