大氣環境綜合監測系統設計

摘 要：針對陜北地區春秋季大氣環境惡劣的問題，運用WiFi與Android系統相結合的技術，設計了一種大氣環境監測系統。該系統通過傳感器節點采集環境數據，通過無線網絡傳輸采集到的數據并與移動終端通信。通過移動終端實時監測、存儲接收到的溫度、濕度、光照強度、PM2.5等數據，當采集參數同時超過閾值時，在手機終端發出警報，進而實現智能監測大氣環境質量。對于過敏患者來說，及時掌握空氣狀況并應對空氣質量的惡化，變得更容易。實驗證明，這套系統性能良好且易于操控。

關鍵詞：大氣環境；監測系統；傳感器；無線網絡；移動終端；過敏患者

中圖分類號：TP27；TN919 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-000-03

0 引 言

近年來，隨著信息技術產業的快速發展，因環境問題造成的人類健康問題越來越多。其中，過敏反應性疾病的患病率更是不斷升高。在社會快速發展的背景下，傳統的大氣環境檢測將面臨非常多的挑戰[1-2]。很多工作都需要人工來完成，因為缺乏智能設備的支持，導致監控數據的精確度、實時性不佳。無線網絡監控是一種發展趨勢，是現代化智能化的管理方式。本文利用傳感器組，實時采集大氣環境中的相關指標（本文指PM2.5、溫濕度和光照強度），采用無線網絡實現數據的實時傳輸，同時實現環境指標的實時監測，希望在環境變化時對過敏性患者起到一定的提醒作用。

1 系統總體設計

系統的檢測單元包含獲取數據的感知層，實現數據傳輸的網絡層和實現數據可視化的應用層，三層結構構成大氣環境智能化監測與報警系統[3]。感知層包含環境監測所需的傳感器，即溫濕度、光照強度、PM2.5等傳感器；網絡層本文使用的是WiFi，通過各自網絡節點傳輸自己的數據，匯總到一個節點，按照協議數據上傳格式，進行數據格式轉換，生成數據包，通過WiFi上傳至應用層，做可視化處理及報警操作。系統的整體框架結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 遠程監測單元設計

遠程監控模塊主要是由STC12C5A16S2 單片機控制器、WiFi溫濕度感應節點、WiFi光強感應節點、塵埃顆粒感應節點組成。系統透過WiFi網絡傳送各感測器節點所收集到的資料，經由主控模組處理后，再于移動端執行實時的資料顯示及提醒[4]。

2.2 主控模塊硬件設計

監控中心由高頻RFID節點和上位機組成，高頻RFID節點主要用來產生內部信息傳輸的WiFi信號，上位機由Android系統的手機終端組成[5]。

2.3 數據采集模塊硬件設計

（1）溫濕度傳感器：選用HTU21D傳感器，通過I2C總線實現通信，具有測量范圍廣、分辨率可控、響應快、傳輸性能穩定的特點。采用DFN封裝[6]。

（2）光照強度傳感器：選用日本ROHM公司的BH1750FVI傳感器。該傳感器為數字型，測量范圍廣，功耗低，光源依存度弱，簡單易用，擁有可編程控制的多種選擇測量方式，通信方式采用I2C總線[7]。

（3）PM2.5傳感器：用于實現空氣中粉塵濃度檢測，選用國內信興微電子股份有限公司的ZPH01粉塵傳感器。其擁有多種輸出方式，如PWM和USART，外形小巧，傳輸穩定，反應靈敏。硬件設計原理如圖 2 所示。

3 軟件設計

3.1 開發環境搭建

利用集成開發工具Eclipse和模擬器在Windows10操作系統下構建開發環境，其中ADT（Android Development Tools）則是Google提供的基于Eclipse的Android開發插件[8]。

我們選擇了Eclipse進行開源整合環境IDE（智能整合環境）的開發。由于Android SDK和Eclipse都是用Java編寫的，因此首先需要在Windows上安裝JDK（Java Development Kit）。完成JDK安裝，檢驗環境配置。如果出現圖3所示的JDK編譯器的數據，就證明環境的建設是成功的。

3.2 傳感器環境信息采集程序設計

3.2.1 溫濕度傳感器驅動程序設計

設計選用HTU21D溫濕度傳感器，通過I2C總線與主控制器溝通。HTU21D是一種寫入地址為0x80、讀取地址為0x81、串行時鐘頻率為100 kHz的器件。通信采用單測模式，將相應的測量命令傳輸到MCU與HTU21D的I2C接口，然后連接到遠端套接口，客戶端請求連接到服務器總線上，以啟動測量相對濕度或溫度。待測量完畢，單片機才能得到測量結果。單片機可用總線讀取相應量值[9]。若要進行下一步的測量，以上步驟一定要反復進行。

3.2.2 光照強度傳感器程序設計

Sensor的工作流程為：Sensor上電后會自動進入掉電狀態，MCU通過I2C總線向傳感器發送指令0x01，使其進入上電狀態。發送測量指令0x20，啟動傳感器測量。一旦測量完成，傳感器就會自動進入休眠狀態，這時測量結果就可以被讀取出來了。若要重新測量，只須重復上面的步驟就可以了。

3.2.3 PM2.5傳感器程序設計

塵埃粒子感應器的輸出方式是借由低脈沖達到讀取PWM信號數據的目的。需要使用兩個定時器，分別用于計算輸出低電平比率和計時刷新數據，由此才能監測到PM2.5傳感器采集的數據。如圖4所示為PM2.5傳感器的數據收集過程。

3.3 網絡通信設計與實現

從采集節點到Android終端的設計中采用了B/S 架構和TCP/IP協議。其中Socket是TCP/IP協議用于網絡通信的接口，因此在系統中，Socket是網絡協議中唯一一個訪問內核空間的接口。無線傳輸需要連接網絡，這就要求Socket在用戶空間中事先設定好功能，以用于連接每個程序模塊，并將網絡協議的具體細節屏蔽在實現過程中，使用戶使用起來更加簡便[10]。Socket的通信流程如圖5所示。

3.4 Android應用系統的設計

系統中Android應用程序的開發主要分為兩部分：一是UI界面的設計，二是后臺程序邏輯的設計與實現。本文中，Android端實現的功能主要是與遠程MySQL數據庫建立連接，獲取相關測量信息并顯示在界面上。

Android應用的界面設計位于ES定時器初始化目錄下，在Layout目錄下包含XML文件。使用XML文件進行 UI 設計的好處是可以將UI組件的屬性進行集中設計，讓代碼結構變得更加簡潔清晰。此外，通過XML文件，可以將應用程序的視控從Java代碼中完全分離出來，通過傳感器來判斷IS采樣是否完成。如果完成，計算低電平比率，計算粉塵濃度值，這樣就能更好地遵循MVC（Model-View Controller）原則，最后完成數據發送。當設計XML布局文件創建UI界面時，只需要在XML文件中添加標簽，再對組件屬性進行簡單的配置，就能達到預期的界面效果。以下是在UI界面對“登錄”按鈕控件描述代碼的修改，主要對按鈕的標識符、寬度與高度、呈現文字、文字尺寸等進行了設置。

lt;Button

android：id=\"@+id/button\"

android：layout_width=\"match_parent\"

android：layout_height=\"wrap_content\"

android：text=\"@string/登錄\"

android：textSize=\"@dimen/fontDefaultSize\"/gt;

在Android界面設計上，可以使用Android自帶的布局管理器，對多種組件進行管理。一般常見的布局管理器有縱向和橫向的線性布局、約束布局和表格布局等[11]。這套系統提供了多種布局風格選項供用戶選擇適合自己的那一套。系統界面主要包括用戶登錄主界面和查詢信息主界面兩個部分。Android后臺程序的編寫主要是在Java文件的各個活動中進行，每個活動都有對應的Java源代碼文件。可以將相應組件的事件處理函數編寫在這些源文件中，以達到響應各種操作的目的。

4 系統實現與測試

4.1 硬件設備實現

每一個功能模塊的測試都是在系統軟硬件建立后進行的。圖6所示為硬件模塊的連接圖。完成硬件測試后，再進行軟件設置，最后再進行硬件與軟件的聯調測試。

4.2 可視化實現

上位機用于顯示、分析和處理下位機數據。打開上位機的應用程序，使用設置好的用戶名登錄，然后連接WiFi進行參數設置，主要包括收集周期。軟件端設置完成后，可以對溫度和濕度節點、光照度感應器節點以及PM2.5傳感器節點的IP和端口進行更多的修改，溫度和光照強度最大值可以設置，濕度最小值也可以設置。根據系統設定的采樣周期，傳感器節點定期采樣；通過主控制器，將處理過的數據通過無線網絡WiFi傳給上位機，并在上位機上進行顯示。如果大氣環境質量超過設定的安全值，發出警報，則完成對環境數據的實時監控。先利用傳感器對實驗室的外部環境參數進行測量，選擇與真實環境接近的預警值，從而達到便于試驗的目的。硬件系統經過實驗驗證，已經可以正常運行，報警提示可以在軟件端進行。圖7所示為實驗測試結果。

5 結 語

利用WiFi與Android系統相結合的技術，通過完成軟硬件設計，開發出一款用于監測和采集環境信息的大氣環境監測系統，用戶在Android手機終端能夠及時掌握空氣污染狀況并采取應對措施。不足之處在于本方案設計的大氣環境監測系統僅是通過數據的搜集反映環境狀況，后期考慮可以加入網絡高清視頻監控系統。

參考文獻

[1]周琳，于欣沛，蘇亞南.傳感器在大氣環境檢測中的應用[J].化工管理，2023，38（3）：60-63.

[2]杜英蓮.環境檢測在大氣污染治理中的影響和對策[J].皮革制作與環保科技，2022，3（22）：109-111.

[3]張劍.關于大氣環境監測與質量控制研究[J].資源節約與環保，2020，38（7）：63-64.

[4]楊志民.面向大氣環境氣態污染物的高性能傳感器研制及其敏感特性研究[D]. 青島：中國石油大學（華東），2020.

[5]岳雪楠.大氣環境在線監測系統的研究與設計[D].天津：天津職業技術師范大學，2023.

[6]王晶，胡立夫，王德生.基于LoRa和四旋翼的大氣環境智能檢測系統設計[J].現代電子技術，2018，41（20）：74-77.

[7]黃曉輝.大氣環境監測質量管理現狀及發展趨勢探析[J].資源節約與環保，2018，36（9）：50.

[8]高瑞，雷文禮.倉儲火災預警系統設計[J].電子設計工程，2020，28（3）：1-4.

[9]丁承君，宋賽，馮玉伯，等.基于無人機的立體大氣環境監測系統設計[J].傳感器與微系統，2020，39（10）：62-65.

[10]郭慶源.基于物聯網的大氣環境監測系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2019.

[11] 劉強強，馬苗立，翟寶蓉.基于LoRa的大氣環境監測系統[J].計量與測試技術，2018，45（5）：6-9.