基于無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)的空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于無線傳感器控制網(wǎng)絡(luò)的空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)引言近幾年，我國以可吸入顆粒物PM10、細(xì)顆粒物PM2.5為特征污染物的區(qū)域性空氣污染事件頻發(fā)，空氣污染已成為危害人類安康的隱形殺手，受到社會的高度關(guān)注?？諝猸h(huán)境監(jiān)測是空氣環(huán)境治理和保護(hù)的前提，只有對空氣環(huán)境狀況有了全面、正確、詳細(xì)的理解，才能施行有效、及時的防治措施。?大氣污染防治行動方案?13明確指出，要進(jìn)步環(huán)境監(jiān)測才能，建立城市站、區(qū)域站統(tǒng)一布局的國家空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量管理，客觀反映空氣質(zhì)量狀況。本文綜合運用多種物聯(lián)網(wǎng)信息感知手段，結(jié)合近間隔 的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)間隔 的GPRS、3G等遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸手段及We

2、b編程技術(shù)，實時采集空氣污染物參數(shù)，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實時發(fā)布采集的數(shù)據(jù)，為計算空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與預(yù)警污染事件提供根底數(shù)據(jù)，組建完好的空氣環(huán)境監(jiān)測體系。1系統(tǒng)體系構(gòu)造設(shè)計整個系統(tǒng)主要包括ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點、GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)和基于B/S形式的智能監(jiān)測軟件3個部分，其體系構(gòu)造如圖1所示。1ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點。主要實現(xiàn)采集空氣污染數(shù)據(jù)如：PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2等并上傳，供高端分析處理；接收并執(zhí)行高端發(fā)送的不同方式的控制命令；通過ZigBee協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)并根據(jù)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)展動態(tài)拓?fù)洌瑢ν痪W(wǎng)段內(nèi)命令進(jìn)展存儲轉(zhuǎn)發(fā)，維持整個網(wǎng)絡(luò)的有效通信。2GPR

3、SZigBee網(wǎng)關(guān)。發(fā)送命令到ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點或接收ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)；以GPRS方式與高端通信，接收高端發(fā)送的命令并將命令下傳給ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點，定時發(fā)送心跳包維持通信鏈路，將ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點狀態(tài)信息反響到高端。3基于B/S形式的智能監(jiān)測軟件。包括遠(yuǎn)程更新管理軟件和通信軟件兩個部分。遠(yuǎn)程更新管理軟件以大型商用數(shù)據(jù)庫SQL Server2021為根底，采用B/S形式，提供ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點測控、狀態(tài)顯示、污染預(yù)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表生成等功能；通信軟件使用多線程的異步Socket機(jī)制，實現(xiàn)通信的高穩(wěn)定性與高可靠性。2系統(tǒng)實現(xiàn)2.1Z

4、igBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點實現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點硬件構(gòu)造如圖2所示，實現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點遠(yuǎn)程更新的底層軟件設(shè)計。ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點選擇飛思卡爾的32位ARM+RF一體化低功耗芯片KW01作為主控MCU，滿足ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗、近間隔 、雙向傳輸特點；參考環(huán)保部門制定的空氣質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)，選擇相應(yīng)的數(shù)字式傳感器對空氣環(huán)境中PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2、溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)展檢測。在ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點硬件設(shè)計上，為實現(xiàn)節(jié)點的靈敏性和可擴(kuò)展性，采用分層構(gòu)造將其分為通信模塊和擴(kuò)展板兩個部分。通信模塊包括無線功放模塊以及接口設(shè)計。擴(kuò)展板主要為測

5、試和方便使用通信模塊而設(shè)計，包括RS232、指示燈、BDM接口、USBRS232轉(zhuǎn)換、AD接口等。在ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點設(shè)計遠(yuǎn)程更新軟件，首先解析KW01的機(jī)器碼文件、鏈接文件和存儲空間，設(shè)計無線通信和相關(guān)模塊的驅(qū)動程序；設(shè)計適宜于節(jié)點遠(yuǎn)程更新的RUPNP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使更新網(wǎng)絡(luò)和實際網(wǎng)絡(luò)別離，更具有通用性；為防止重定位問題，通過修改鏈接文件將監(jiān)控程序的存儲空間和用戶程序空間別離；設(shè)計超時機(jī)制，有效解決節(jié)點異常復(fù)位后進(jìn)入監(jiān)控程序空等的數(shù)據(jù)幀問題。2.2GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)是應(yīng)用層效勞器和該段傳感網(wǎng)絡(luò)中ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的聯(lián)絡(luò)紐帶，包括主控模塊和Li

6、nk鏈接節(jié)點兩部分，構(gòu)造如圖3所示。GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)通過GPRS挪動通信模塊和應(yīng)用層效勞器進(jìn)展雙向通信。從應(yīng)用層效勞器接收數(shù)據(jù)，進(jìn)展解析、處理、封包等操作。將需要發(fā)送到傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過Link節(jié)點發(fā)送給ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點；接收ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)信息，解析、封裝，通過挪動通信模塊回傳給應(yīng)用層效勞器47。GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)的硬件構(gòu)造包括Kinitis K64最小系統(tǒng)、EM770W模塊、GPRS模塊EM310、SPI/PWM/I2C接口、串口測試接口、Link節(jié)點、用于輔助和測試的LCD模塊等，如圖4所示。2.3智能監(jiān)測軟件實現(xiàn)基于B/S形式的智能監(jiān)測

7、軟件設(shè)計包括通信軟件和遠(yuǎn)程更新管理軟件兩部分。通信軟件單純負(fù)責(zé)通信，獲取數(shù)據(jù)庫中未發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)給GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)，從GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)中接收由底層上傳的返回數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中，提供給遠(yuǎn)程更新管理軟件。通信軟件使用Socket套接字實現(xiàn)TCP通信機(jī)制。通信軟件被設(shè)計為Service形式，作為一個應(yīng)用效勞運行在監(jiān)控中心的效勞器上，一直偵聽TCP相關(guān)端口，保持和GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)通信，采用異步Socket編程機(jī)制實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)效勞的C/S通訊構(gòu)架8。遠(yuǎn)程更新管理軟件包括GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)和ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點兩種遠(yuǎn)程更新形式。整個軟件設(shè)置4個模塊，分別為系統(tǒng)配置、ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點遠(yuǎn)程更新、 GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程更新、系統(tǒng)管理模塊，如圖5所示。3結(jié)語建立新型空氣環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)已成為環(huán)境保護(hù)開展趨勢，以進(jìn)步空氣環(huán)境質(zhì)量信息采集、傳輸、統(tǒng)計、報告和監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合利用率。本文通過研發(fā)ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點、GPRSZigBee網(wǎng)關(guān)和基于B/S形式的智能監(jiān)測軟件，實現(xiàn)對空氣環(huán)境中的污染數(shù)據(jù)進(jìn)展實時采集和分析，方便公眾理解空氣污染情況