基于分布式无线传感器网络的空气质量监测系统的研究与设计

2024.04.01

徐利谋　黄长远

摘要：针对空气监测面临的网络布线困难、成本高和实时性差的问题，文章提出了基于无线传感器网络的空气质量监控系统，对系统架构、硬件和软件进行了设计，实现了空气质量分布式监测、数据无线传输和智能化分析。

关键词：无线网络；传感器；空气质量监控

国内经济发展对环境的透支使得环境问题突出，严重的雾霾每年席卷京津冀地区，给人们正常生产和生活带来影响，急需行之有效的应对措施来解决空气污染问题。传统定点巡检和定点感知器监测的空气污染物监测方式无法获取实时数据，己不能满足空气质量监测需要，构建能对空气质量实时采集和分析的環境监测系统成为亟待解决的问题。文章在掌握传感器、无线网络架构和无线传感器网络等技术的基础上，在空气质量监测领域开展了较为细致研究，提出了基于分布式无线传感器网络的空气质量监测系统设计方案。

1.系统架构

基于分布式无线传感器网络的空气质量监测系统涵盖数据监测终端、数据传输模块和监控中心3个功能模块，主要架构如图1所示。系统工作过程如下：分布在监控区域内的气体、温湿度、气压传感器将获取到有关空气质量数据采用ZigBee技术发送到数据传输模块，GPRS网关节点使用GPRS网络和Internet网络将汇集到的空气信息发送到监控中心，监控中心对数据进行处理后作出应急响应。

数据监测终端布置在重点监测区域，通过各类传感器获取空气数据信息，将获取到的信息进行整理、分析和打包后通过无线网络传送到监测中心。

数据传输模块中收到监测终端传输的空气信息后，使用无线传输协议将信息打包，使用ZigBee，GPRS和Internet网络，通过各种网关和路由使监测终端获取的气体污染物、温湿度、气压等信息及时传送到监控中心。

监控中心通过数据传输模块与监测终端进行双向通信收发空气质量信息，各监测终端获取的空气信息经处理后添加到SQL Server数据库，并通过可视化界面和Web网页浏览模式提供给相关部门及其他用户。

2.系统设计

2.1监测终端

监测终端主要由气体、温湿度、气压采集模块、设备控制模块、ZigBee传输模块、存储模块和电源模块组成。监测终端采用低成本的8位AVR单片机，软件系统的设计在ICCAVR上进行开发，终端系统采用ATMEL公司的ATMEGA128芯片作为CPU处理器，使用Chipcon公司的CC2420模块作为收发数据的ZigBee通信模块。气体传感器采用可高精度监测CO，SO2、氮氧化合物等污染气体浓度的瑞士MEMBRAPOR生产的NOz/C-1，O3/C-5，NO/C-1，SO2/C-1，CO/CF-200等高精度传感器设备。温度、湿度传感器采用瑞士盛世瑞恩公司生产的SHT1X系列产品。气压传感器采用芬兰VTL公司生产的SCP1000-D1数字传感器。

2.2数据传输模块

数据传输模块由ZigBee网络和GPRS网络两部分构成，主要负责完成监控终端和监控中心之间的数据交换。

（1）ZigBee网络部分。该部分由网络终端、路由器和协调器3个节点组成。ZigBee网络控制核心采用ATmega328P单片机，实现对终端节点传感器数据的采集与处理。各类气体传感器使用RS485接口通过集线器设备与微处理器相互连通，构建了链路简单、传输高效的通信网络。在ZigBee网络终端节点中，传感器通过RS-485串行通信接口与微处理器组成通信网络，该通信网络具有链路简单、传输高效的特点。无线射频模块集成了单片机控制和无线编码，与ATmega328单片机通过异步串行口连接，完成数据的接收和发送。串行时钟芯片嵌入到单片机中，具有实时时钟、日历和RAM，可以根据控制指令完成不同的功能。（2）GPRS网络部分。GPRS网络部分主要由SIM900A、ATmega328P单片机、EEPROM芯片和电源模块组成。GPRS模块选用的是芯讯通无线科技有限公司生产的双频SIM900A模块，SIM900A是一款尺寸紧凑型、高可靠性的无线模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，能满足低成本、紧凑尺寸的开发要求，可以内置应用程序实现更复杂。EEPROM芯片即插即用，用来存放硬件设置数据。

2.3监控中心

监测中心的软件系统主要由通信模块、数据库模块、数据处理模块和主界面模块4部分组成，其结构如图2所示。监控中心采用模块化结构设计，使用Java语言、SQL Server和Socket开发，具备主界面管理、系统设置、用户管理、数据通信、监测点信息、系统日志、报表查询、数据备份、数据恢复、退出等功能。监测中心的软件设计实现了系统功能的完整性，同时兼顾系统将来的可扩展性、可靠性和兼容性。

3.结语

本文针对传统空气质量监测中网络布线成本高、数据获取实时性差等问题，开展基于分布式无线传感器网络的空气质量监测系统的研究与设计。系统通过无线传输的形式获取分布在不同区域的传感器节点气体、温湿度、气压等信息，经过分析后获知空气污染状况和主要污染物，为空气质量监测部门提供重要依据，具有工作时间长、成本低的特点。经过现场测试，系统各项指标运行正常，基本满足预定范围内控制质量监测的需要。