基于NB-IoT的室外環境空氣質量在線監測系統設計

董 瑩，孫擁軍

(1.山東省濰坊生態環境監測中心，山東 濰坊 261041；2.濰坊市工業發展促進中心，山東 濰坊 261041)

0 引言

空氣質量可以反映出大氣污染程度，它是依據空氣中污染性物質的濃度高低水平來作出判斷的。從宏觀角度來講，空氣污染是一種極為復雜的環境現象，在所選監測區域中，空氣污染物濃度受到多種因素的共同影響[1]。在對室外環境空氣質量進行監測時，如何精準計量污染性氣體的濃度水平，是一項亟待解決的應用難題。傳統遠距離多通道型監測系統利用氣體檢測傳感器，完成空氣樣本選型，再根據PAMS標準，測試氣體樣本的表征性能，分析已獲取樣本中污染性氣體顆粒的濃度水平[2]。然而隨著溫度、濕度條件的改變，利用該系統所得到的污染性氣體濃度測量值并不能真實反映出室外環境的空氣質量水平，這就導致所選用系統難以實現對室外環境空氣質量的準確監測。

為提升室外環境空氣質量在線監測系統的監測精度，引入NB-IoT技術來精準計量污染性氣體在室外環境中的濃度水平。在互聯網應用系統中，基于NB-IoT(narrow band internet of things, 窄帶物聯網)密鑰的數據信息連接帶寬能夠達到180 kHz，并可以根據頻譜資源的存儲數值，調節連接協議的部署形式。為保證NB-IoT密鑰的穩定作用能力，在部署互聯網系統時，需要Stand-alone協議、Guard-band協議的共同配合[3]。Stand-alone協議占用NB-IoT密鑰中未被使用的信息頻段，在網絡主機長時間保持正常運轉行為的情況下，該類型應用協議對于基站設備的要求相對較高，只有當下級連接資源塊能夠完全負載傳輸信息參量時，才有可能確保主機與負載設備之間連接關系的穩定性[4]。Guard-band協議具有擴展非連續接收、間歇性接收兩種作用模式，在前一種執行狀態下，互聯網主機可以直接存儲數據信息參量，并可以借助寄存器設備，更改信息文本的傳輸目的地；在后一種執行狀態下，互聯網主機具有一定的信息過濾能力，可以將完成刪減處理的數據包文件反饋給寄存器芯片，以供其對這些數據信息參量進行深度處理與分析。

為此，以NB-IoT密鑰協議為基礎，設計一種新型的室外環境空氣質量在線監測系統，并通過比對實驗的方式，突出該系統的實際應用價值。

1 空氣質量在線監測終端硬件設計

室外環境空氣質量在線監測系統的硬件終端平臺由電源電路、微控制器、溫濕度傳感器、細顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器五部分共同組成，本章節將針對上述幾類應用結構的具體連接形式展開研究。

1.1 電源電路

電源電路能夠為室外環境空氣質量在線監測系統提供穩定的電量供應，在+VCC端口、-VDD端口之間，可以借助IC1設備，對電量信號進行整合處理，一方面穩定溫濕度傳感器、細顆粒物濃度傳感器等硬件設備兩端的負載電壓數值，另一方面也可以避免因電量信號堆積而造成的污染性氣體實測濃度失準的問題[5]。在室外環境空氣質量在線監測系統中，一個電量信號對應一個污染性氣體實測濃度數據，當監測主機進入快速運行狀態后，實測數據由微控制器元件向著溫濕度傳感器、細顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器不斷傳輸，此時電源電路中的電信號輸出量也會不斷增大，理論上來講，二者的數值水平始終相等。為避免電量信號、污染性氣體實測濃度數據之間的數值匹配關系出現變化，IC1設備也必須具有一定的電信號寄存能力[6]。完整的電源電路連接結構如圖1所示。

圖1 電源電路結構圖

電量控制器負責接收DB元件輸出的電信號參量，然而隨著氣體實測濃度數據傳輸量的改變，二者之間的實時連接關系也會出現變化。

1.2 微控制器

微控制器模塊作為電源電路的下級連接結構，其執行能力決定了系統主機對于室外環境空氣質量的監測準確性。在室外環境空氣質量在線監測系統中，微控制器設備負責將電量信號與污染性氣體實測濃度數據匹配起來，由于系統主機只能直接控制電量信號的輸出量數值，所以在采集濃度數據樣本時，還需根據EEPROM芯片的實時運行狀態，來判斷監測指令的當前執行強度[7]。EEPROM芯片具有全雙工、半雙工兩種運行模式，如圖2所示。

圖2 微控制器模塊的運行模式

當EEPROM芯片處于全雙工運行模式時，微控制器設備開始全面接收傳感器元件輸出的污染性氣體實測濃度數據，當前情況下，電源電路中的IC1結構不斷釋放暫存于其內部的電量信號；當EEPROM芯片處于半雙工運行模式時，微控制器設備主要負責記錄傳感器元件輸出的污染性氣體實測濃度數據，當前情況下，電源電路中的IC1結構停止電量信號釋放行為，直至系統監測主機能夠將現有氣體濃度實測數據與電量信號完全匹配起來[8]。

1.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器由核心傳感元件、CRC接線過渡裝置兩部分共同組成。核心傳感元件包含溫度轉換器、濕度轉換器、A/D轉換設備和數據信息存儲器。在實際應用過程中，溫度轉換器與溫度數據采集器相連、濕度轉換器與濕度數據采集器相連，兩者都可以感知室外環境中的空氣質量水平，并可以將采集到的數據信息參量以樣本文件的形式反饋給A/D轉換設備[9-10]。本文采用OM-TH-B801型溫濕度傳感器，數據信息存儲器負責暫時存儲污染性氣體實測濃度數據，當A/D轉換設備接收到電量輸出信號時，已被存儲的數據信息參量自發回流至微控制器模塊，以供其對已制定監測指令的真實性進行核實，可以設置溫濕度上下閾值范圍來進行報警設置。A/D轉換設備實現了由文本信息到數據包文件的轉換。CRC接線過渡裝置提供了時鐘線、數據線、擴展接口三類接線節點，可以將溫濕度傳感器設備與微控制器模塊、細顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器連接起來。溫濕度傳感器內部結構如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器內部結構示意圖

由于溫濕度傳感器可以同時監測室外環境空氣質量的溫度與濕度變化情況，所以A/D轉換設備應對采集得到的數據信息參量所屬類別進行辨別。

1.4 細顆粒物濃度傳感器

細顆粒物濃度傳感器負責提取室外環境中具有污染性的顆粒狀物質，可以借助外部傳感網絡將記錄到的數據信息樣本反饋給系統監測主機，以供其對室外環境空氣質量水平進行精準評估[11-12]。本文采用APM10-激光顆粒物檢測傳感器，由于空氣環境中細顆粒污染物粒子很難被肉眼直接觀察到，所以為使傳感器元件能夠得到精準的樣本提取物，還需在實施監測時，借助紅外設備投射出的光線，標記顆粒污染物的實際運動軌跡。細顆粒物濃度傳感器模塊的內部元件連接原理如圖4所示。

圖4 細顆粒物濃度傳感器內部原理圖

在監測細顆粒污染物時，為避免多余紅外光線對空氣環境造成二次污染，還需設置獨立的光電二極管裝置，用于吸收紅外設備發出的照射光線。

1.5 二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳是造成溫室效應的主要氣體，在大氣環境中，若二氧化碳濃度過高，不但會造成空氣質量水平的大幅下降，還會隨著氣體流通作用，將這種區域性污染擴散至周圍環境中[13]。針對二氧化碳氣體的監測需要借助COZIR-W設備(監測原理如圖5所示)，將其與濾波電容元件直接相連，不但可以根據碳元素與氧元素的含量水平，計算二氧化碳氣體的濃度數值，還可以感知溫度、濕度等環境因素的變化情況。

從知識可視化的概念分析中可以看到，知識可視化的目的并不是用視覺手段去表示知識，而是用視覺手段去傳遞知識，在信息海洋中，減少受眾的認知負荷，讓受眾能夠快速地感知信息，獲得知識。因此，知識可視化的目的就是要實現知識的快速傳播，在傳播中快速地被感知，實現知識的傳遞，讓知識在交流中不斷被建構，形成新的知識，即知識創造。

圖5 二氧化碳濃度傳感器監測原理

為將傳感器元件所監測到的數據信息參量反饋給系統主機，COZIR-W設備所采集到的二氧化碳濃度數據會自動轉換成.txt文本的存儲形式[14]。

2 基于NB-IoT的室外環境空氣質量在線監測系統軟件設計

在線監測系統安全機制可以協調硬件終端設備之間的連接關系，本章節將從NB-IoT密鑰文本、空口協議棧兩個角度，通過NB-IoT密鑰同時獲取硬件傳感器模塊單元、微控制器模塊輸出的空氣質量數據信息文本，能夠實現海量數據的安全傳輸，提升室外環境空氣質量在線監測系統的數據處理能力。設計main函數、數據信息采集函數、監測任務函數表達式，實現室外環境空氣質量在線監測。

2.1 NB-IoT密鑰

對于室外環境空氣質量在線監測系統而言，NB-IoT密鑰可以約束傳感器模塊單元與電源電路之間的實時連接關系，其作用行為包含數據信息加密、監測指令調節兩個環節，在室外環境空氣質量在線監測系統中，NB-IoT密鑰的作用對象并不局限于一種或幾種終端設備，而是會隨著系統運行狀態的改變，來回作用于所有處于連接狀態的終端設備元件。

(1)

監測指令調節處理階段的NB-IoT密鑰作用表達式定義為：

(2)

Q(α)=P(α)×δ(α)

(3)

2.2 空口協議棧

空口協議棧是在NB-IoT密鑰基礎上，定義的監測數據選擇算法，能夠準確判定溫濕度傳感器、細顆粒物濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器三類傳感器模塊所采集到的數據信息參量是否滿足系統主機的監測需求，并可以借助微控制器設備，將滿足協議棧判別需求的數據信息參量輸入至系統數據庫之中，以供監測主機的調取與利用[17-18]。設ε1、ε2是兩個隨機選取的空氣質量數據監測樣本，w1表示基于樣本數據ε1的NB-IoT密鑰選值特征，w2表示基于樣本數據ε2的NB-IoT密鑰選值特征，ΔY表示空氣質量數據的單位監測量。

聯立式(3)，可將基于NB-IoT密鑰的監測數據空口協議棧表達式定義為：

(4)

采用NB-IoT密鑰及空口協議棧算法，能夠實現室外環境空氣質量數據的精準傳輸，保障微控制器、溫濕度傳感器等多個系統應用模塊的數據傳輸準確性。

3 應用函數設計

在NB-IoT密鑰體系的基礎上，求解main函數、數據信息采集函數、監測任務函數表達式，并根據具體計算數值，調節室外環境空氣質量在線監測系統硬件設備之間的實時連接關系。

3.1 main函數

main函數負責在線監測系統中的所有數據初始化與主任務創建工作，能夠根據NB-IoT密鑰表達式，調節微控制器終端模塊對于空氣質量數據的采集能力，一方面使得系統傳感器單元能夠準確感知室外環境中的空氣質量水平，另一方面也可以避免電信號參量出現過度輸出的行為[19-20]。由于NB-IoT密鑰體系可以同時作用于微控制器、溫濕度傳感器等多個系統應用模塊，所以在求解main函數時，要求空氣質量數據在系統各個模塊單元中的傳輸速率必須保持一致。設q表示基于NB-IoT密鑰的空氣質量數據采集向量，t表示時間系數的初始賦值，η表示空氣質量數據在系統監測主機中的傳輸效率，f表示監測執行任務的初始化系數，γ表示室外環境中的氣體污染特征。聯立上述物理量，可將室外環境空氣質量在線監測系統的main函數表達式定義為：

(5)

由于空氣質量數據在監測系統中的傳輸速率不可能為零，所以main函數的求解結果也不可能等于零。

3.2 數據信息采集函數

對于在線監測系統運行主機而言，數據信息采集函數可以判斷傳感器模塊是否已經完成對空氣質量數據的提取與處理[21]。若將main函數看作一個既定已知條件，則可認為數據信息采集函數取值大于零，則表示系統傳感器模塊已經完成對空氣質量數據的提取，且計算數值越大，代表傳感器模塊對于數據信息的處理速度越快；若數據信息采集函數取值小于零，則表示系統傳感器模塊尚未完成對空氣質量數據的提取，微控制器設備還需繼續對電量信號與數據信息參量進行匹配處理[22]。按照NB-IoT密鑰作用標準，可將在線監測系統數據信息采集函數表示為：

(6)

3.3 監測任務函數

監測任務函數決定了系統主機對于室外環境空氣質量數據的實時處理能力。從宏觀角度來講，監測任務函數影響了傳感器模塊對于空氣質量數據的提取速率，且在既定取值區間內，數據信息參量的賦值情況會直接影響函數表達式的求解結果[23-24]。設?表示空氣質量監測指令賦值向量，且?≠0的不等式條件恒成立，c、x表示兩個不相等的空氣質量數據提取度量值，θ表示瞬時取值向量，bθ表示基于向量θ的空氣質量監測權值，聯立上述物理量，可將監測任務函數定義為：

(7)

main函數、數據信息采集函數、監測任務函數均可以約束室外環境空氣質量在線監測系統的實時運行能力，故而在NB-IoT密鑰安全機制的基礎上，為實現對空氣質量數據的按需提取與處理，應綜合考慮各項應用函數表達式的實際計算取值結果。

4 實驗分析

4.1 實驗準備

為保障室外環境中的空氣質量水平，就必須對污染性氣體的濃度水平進行精準計量。本次實驗以二氧化氣體作為實驗對象，將溫度傳感器、濕度傳感器、監測芯片安裝在一臺搭載Windows 10操作系統的實驗主機中，分別利用基于NB-IoT的在線監測系統、遠距離多通道型監測系統對所選實驗主機進行控制，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。該系統實現了對工業倉庫環境空氣質量的在線監測。設置系統的各個模塊設備型號，應用NB-IoT技術獲取所有處于連接狀態的終端設備元件的采集數據，實現系統建立。系統建立完畢，將進行現場檢測，以檢測倉庫中的環境。觀察12小時，每2小時記錄一次，獲取工業倉庫環境空氣質量在線監測數據。

表1反映了本次實驗所選實驗儀器的具體型號。

表1 實驗設備

本次實驗必須嚴格控制濾膜網眼大小，在保證二氧化碳氣體順利進入采樣設備的同時，過濾其他類型的氣體分子。

4.2 實驗流程

在實驗過程中，首先調節溫度傳感器，使實驗溫度分別等于40 ℃、50 ℃、60 ℃，記錄在兩種不同溫度條件下，二氧化碳氣體的實測濃度數值；然后調節濕度傳感器，使實驗濕度分別等于30%、40%、50%，記錄在兩種不同濕度條件下，二氧化碳氣體的實測濃度數值；最后，將所得二氧化碳氣體的實驗數值與真實濃度數值進行對比，總結實驗規律。

表2給出了不同溫濕度條件下二氧化碳氣體的真實濃度數值。

表2 二氧化碳氣體的真實濃度

分析表2可知，隨著溫度水平的升高，二氧化碳氣體在室外空氣環境中的濃度數值會不斷增大；隨著濕度水平的升高，二氧化碳氣體在室外空氣環境中的濃度數值也會不斷增大。

4.3 數據統計

表3反映了不同溫度條件下，二氧化碳氣體的實測濃度數值。

表3 溫度條件對二氧化碳氣體濃度的影響

分析表3可知，當實驗溫度等于40 ℃、50 ℃、60 ℃時，實驗組二氧化碳氣體濃度實測均值分別為357 ppm、371 ppm、385 ppm，與其真實濃度之間的差值分別為2 ppm、0 ppm、0 ppm，對照組二氧化碳氣體濃度實測均值分別為365 ppm、367 ppm、380 ppm，與其真實濃度之間的差值分別為6 ppm、4 ppm、5 ppm。

表4反映了不同濕度條件下，二氧化碳氣體的實測濃度數值。

表4 濕度條件對二氧化碳氣體濃度的影響

分析表4可知，當實驗濕度等于30%、40%、50%時，實驗組二氧化碳氣體濃度實測均值分別為706 ppm、714 ppm、725 ppm，與其真實濃度之間的差值分別為1 ppm、1 ppm、1 ppm，對照組二氧化碳氣體濃度實測均值分別為713 ppm、720 ppm、731 ppm，與其真實濃度之間的差值分別為6 ppm、5 ppm、13 ppm。

所選系統的精確度量差σ可表示為：

(8)

其中：ω1表示二氧化碳氣體實測濃度，ω0表示二氧化碳氣體真實濃度。

利用所記錄濃度指標的平均值對系統監測精確度量差σ進行計算，具體數值如表5所示。

表5 σ指標數值統計

分析表5可知，整個實驗過程中，實驗組σ指標平均值為0.16%，對照組σ指標平均值為1.23%，高于實驗組數值。由于本次實驗是為了準確檢測二氧化碳氣體濃度，故應該將監測精確度量差控制在較低的數值水平，即實驗組系統更符合檢測需求。

綜上可知，利用基于NB-IoT的室外環境空氣質量在線監測系統所測得的二氧化碳氣體濃度數值與其真實濃度更加接近，故該系統在監測室外環境空氣質量方面的應用能力更強。

5 結束語

室外環境空氣質量在線監測系統以NB-IoT密鑰體系作為完善系統安全機制的主要方法，聯合微控制器、溫濕度傳感器等多個終端模塊，確定main函數、數據信息采集函數、監測任務函數的實際約束作用能力。與遠距離多通道型監測系統相比，在線監測系統可將監測精確度量差數值控制在1%以下，這在精準計量污染性氣體在室外環境中的濃度含量可以起到一定的促進性影響作用。