基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引言環(huán)境監(jiān)測(cè)是為保護(hù)環(huán)境和保障人群安康，運(yùn)用化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和公共衛(wèi)生學(xué)等方法連續(xù)或連續(xù)地測(cè)定環(huán)境中污染物的濃度，觀(guān)察、分析其變化和對(duì)環(huán)境影響的過(guò)程1。隨著社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)快速開(kāi)展，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。世界各國(guó)都致力于控制和減少環(huán)境污染，研究環(huán)境可持續(xù)開(kāi)展的綠色方案，我國(guó)也提出了開(kāi)展低碳經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略目的，并對(duì)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控提出了更高的要求。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)可以準(zhǔn)確、及時(shí)、全面地反映特定區(qū)域環(huán)境的質(zhì)量現(xiàn)狀及其變化趨勢(shì)，要求覆蓋面廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)靈敏，從而為環(huán)境管理、污染源控制和環(huán)境規(guī)劃等提供科學(xué)根

2、據(jù)?；跓o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、無(wú)線(xiàn)傳輸和集中處理，是實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)的一種先進(jìn)解決方案。1系統(tǒng)總體方案基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造如圖1所示。嵌入式網(wǎng)關(guān)和假設(shè)干傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成星形拓?fù)錁?gòu)造的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。由隨機(jī)部署在感興趣區(qū)域內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集大氣環(huán)境信息和氣象參數(shù)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，以ZigBee無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)；嵌入式網(wǎng)關(guān)也具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集才能，還配置了LD觸摸屏人機(jī)界面，其主要功能是將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)匯總之后，通過(guò)Internet傳送給大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中心P，即實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的Internet接入。環(huán)

3、境監(jiān)測(cè)中心對(duì)特定區(qū)域的大量環(huán)境數(shù)據(jù)和氣象參數(shù)進(jìn)展檢查分析之后，存儲(chǔ)到Aess數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便統(tǒng)計(jì)處理和數(shù)據(jù)查詢(xún)。2環(huán)境監(jiān)測(cè)變量及傳感器大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)airqualitynitring是指對(duì)一個(gè)地區(qū)大氣中的主要污染物進(jìn)展布點(diǎn)觀(guān)測(cè)，并由此評(píng)價(jià)大氣環(huán)境質(zhì)量的過(guò)程2。國(guó)務(wù)院環(huán)境保護(hù)指導(dǎo)小組發(fā)布的?環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?規(guī)定了環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)劃分本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理、標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)、污染物工程、取值時(shí)間及濃度限值。選擇?環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?中規(guī)定的二氧化硫S2、二氧化氮N2、一氧化碳、臭氧3等可用傳感器測(cè)量的幾種大氣污染物作為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象。由于大氣污染與氣象條件親密相關(guān)，因此在大氣污染監(jiān)測(cè)中應(yīng)包括風(fēng)向、

4、風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、氣壓等氣象參數(shù)的測(cè)定3。此外，2是反映碳排放的重要指標(biāo)，所以將其列為監(jiān)測(cè)工程之一，故基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)變量共有10種。遵循低本錢(qián)、高可靠性、適當(dāng)精度、使用方便等原那么，為大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置了以下8種傳感器模塊：1S2傳感器：選擇模擬輸出型二氧化硫傳感器模塊S-DX，它采用雙光束非分光紅外線(xiàn)NDIR檢測(cè)技術(shù)，具有抗其它氣體干擾、穩(wěn)定性好、自帶溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，輸出符合dbus協(xié)議的模擬信號(hào)420A，經(jīng)過(guò)信號(hào)變送器產(chǎn)生05VD的模擬信號(hào)。2N2傳感器：選用深圳市富安達(dá)智能科技研發(fā)的N2/S-500-S傳感器量程：0500pp，分辨率：0.5pp，工作溫

5、度范圍：-20-45，工作濕度范圍：15-90%，無(wú)需偏執(zhí)電壓，具有良好的重復(fù)再現(xiàn)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，經(jīng)信號(hào)放大電路及信號(hào)變送器輸出05VD的模擬信號(hào)。3傳感器：選用英國(guó)Alphasense公司的一氧化碳傳感器-BF量程：0-1000pp，分辨率：0.5pp，工作溫度：-3050，工作濕度：1590%RH，經(jīng)信號(hào)放大及變送后產(chǎn)生05VD模擬信號(hào)。43傳感器：選用Q131臭氧氣體檢測(cè)模塊工作電壓：5VD，它具有模擬量輸出及TTL電平輸出的雙路信號(hào)輸出，TTL低電平輸出有效，可直接與單片機(jī)I/口相連。5風(fēng)速風(fēng)向傳感器：配置的288865包括了風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器。風(fēng)速傳感器量程：040/s，精度：0

6、.3/s可以產(chǎn)生TTL電平頻率信號(hào)，風(fēng)向傳感器量程：0360，精度：0.1%在精細(xì)導(dǎo)電塑料電位器的活動(dòng)端產(chǎn)生變化的電阻信號(hào)輸出，可經(jīng)過(guò)變換電路產(chǎn)生05VD模擬輸出信號(hào)。6溫濕度傳感器：選用含有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11溫度量程：-40123.8，濕度量程：0100%RH，溫度測(cè)量精度：0.3，濕度測(cè)量精度：1.8%，它采用準(zhǔn)II方式傳輸數(shù)據(jù)。7氣壓傳感器：選擇德國(guó)BSH氣壓傳感器系列的BP085量程：3001100bar，精度：0.03bar，工作溫度范圍：-4085，用8-Pin陶瓷無(wú)引線(xiàn)芯片承載L超薄封裝，可以通過(guò)II總線(xiàn)直接與各種微處理器相連。82傳感器：選擇采用固體電

7、解質(zhì)電池原理的G811型2氣體傳感器。該傳感器受溫濕度變化的影響較小，具有良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性，經(jīng)信號(hào)放大及調(diào)理后產(chǎn)生05VD的模擬輸出信號(hào)。3大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)3.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)由傳感單元、處理單元、無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元和電源單元4個(gè)功能模塊組成的微型嵌入式系統(tǒng)4，其硬件組成如圖2所示。它的控制才能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)才能、分析計(jì)算才能和通信才能相對(duì)嵌入式網(wǎng)關(guān)較弱。傳感單元分為模擬和數(shù)據(jù)兩部分，S2傳感器S-DX、N2傳感器N2/S-500-S、傳感器-BF、2傳感器G811和風(fēng)向傳感器288865/DIR的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和調(diào)理之后，輸出05V模擬信號(hào)，可接入U(xiǎn)的AD通道；3傳感

8、器Q131、風(fēng)速傳感器288865/SPEED輸出TTL電平脈沖信號(hào)，可接入U(xiǎn)的計(jì)數(shù)通道。溫濕度傳感器SHT11采用準(zhǔn)II方式向U發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA和SK信號(hào)可直接與U的I/引腳連接；氣壓傳感器BP085使用標(biāo)準(zhǔn)II總線(xiàn)向U發(fā)送數(shù)據(jù)。處理單元主要協(xié)調(diào)、控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理采集數(shù)據(jù)，并與其它節(jié)點(diǎn)合作完成被指派的感知、監(jiān)測(cè)任務(wù)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心，從節(jié)約本錢(qián)、進(jìn)步可靠性等方面考慮，選用ATega16單片機(jī)。無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用TI公司的系統(tǒng)芯片S2530F256，運(yùn)行ZigBee2022/PR協(xié)議，通過(guò)USART與U傳輸數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足以Zigbee為根底

9、的2.4GHz的IS頻段應(yīng)用。電源單元那么為傳感器節(jié)點(diǎn)提供維持正常運(yùn)行所必須的能量。3.2嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)關(guān)以AR微處理器為核心，包括傳感單元、根本外圍電路、存儲(chǔ)單元、ZigBee通信、Internet通信和觸屏顯示6部分，其硬件組成如圖3所示。選擇SaSung公司的基于AR920T架構(gòu)的16/32位RIS處理器S32440A作為控制核心，協(xié)調(diào)其它所有工作單元有序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境信息和氣象參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等全部功能。嵌入式網(wǎng)關(guān)的傳感單元組成及功能與傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感單元一樣。根本外圍電路包括電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，為S32440A正常運(yùn)行以及嵌入式網(wǎng)關(guān)

10、中所有外圍電路正常工作提供根本保障。存儲(chǔ)單元擴(kuò)展了SDRA和FLASH兩種存儲(chǔ)器，分別為程序代碼和各種數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間。ZigBee通信模塊負(fù)責(zé)與SN內(nèi)的各傳感器節(jié)點(diǎn)通信，搜集監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境信息。觸屏顯示單元采用Tpply3.5寸LD模塊，移植了Qt界面，便于用戶(hù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)配置，查詢(xún)?nèi)我鈺r(shí)刻采集的環(huán)境數(shù)據(jù)等。Internet通信模塊將匯總的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心，并與ZigBee模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)ZigBee和TP/IP兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。4大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件4.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)行被動(dòng)式數(shù)據(jù)采集行為，即僅當(dāng)接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令時(shí)才執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的任

11、務(wù)，其它時(shí)間那么進(jìn)入休眠形式以降低電能消耗。傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，其程序流程如圖4所示。上電復(fù)位后首先初始化硬件，向嵌入式網(wǎng)關(guān)報(bào)告自己的ID信息，參加SN之后就進(jìn)入空閑形式。在此形式下，PU停頓運(yùn)行，而SPI、USART、AD、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。諸如定時(shí)器溢出與USART傳輸完成等內(nèi)外部中斷都可以喚醒U5。因此，當(dāng)接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集命令后，USART接收中斷會(huì)將U喚醒，即刻采集大氣污染物數(shù)據(jù)，再通過(guò)ZigBee通信模塊將其傳輸至嵌入式網(wǎng)關(guān)。4.2嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件基于S32440A微處理運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，其軟件部分包括啟動(dòng)引導(dǎo)程序、

12、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，前3部分是系統(tǒng)運(yùn)行的根底部分，目前已有相對(duì)較為成熟的版本出現(xiàn)，只需要針對(duì)詳細(xì)硬件平臺(tái)進(jìn)展修改、裁減即可完成移植工作，不必重新開(kāi)發(fā)。4.2.1驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用程序和實(shí)際設(shè)備之間的一個(gè)軟件層6。分為字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器都是簡(jiǎn)單的硬件設(shè)備，因此，全部被抽象為字符設(shè)備。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成的主要工作是初始化硬件設(shè)備、添加和刪除設(shè)備構(gòu)造體，申請(qǐng)和釋放設(shè)備號(hào)以及填充file_peratins構(gòu)造體。file_peratins構(gòu)造體用來(lái)建立設(shè)備編號(hào)與驅(qū)動(dòng)程序操作的連接，實(shí)現(xiàn)該構(gòu)造體中的read、ri

13、te、itl等函數(shù)是驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的主題工作。傳感器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所實(shí)現(xiàn)的只是最重要的設(shè)備方法，比方SHT11和2的file_peratins構(gòu)造被初始化為如下形式：4.2.2應(yīng)用程序嵌入式網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序主要包括兩個(gè)線(xiàn)程和一個(gè)中斷效勞程序，其執(zhí)行流程如圖5所示。上電后，首先進(jìn)入ain函數(shù)主線(xiàn)程初始化并設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)用signal函數(shù)設(shè)置SIGALR信號(hào)的信號(hào)處理程序用以完成嵌入式網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測(cè)中心的TP/IP通信任務(wù)，然后設(shè)置定時(shí)器，再調(diào)用pthread_reate函數(shù)創(chuàng)立Data_lletin線(xiàn)程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，之后運(yùn)行基于事件驅(qū)動(dòng)的Qt程序，在這段代碼中將程序控制權(quán)交給用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò)操作界面可以設(shè)置嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)或查看實(shí)時(shí)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。4.3大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中心軟件使用Aess2022創(chuàng)立大氣環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)，利用visual+提供的ADAtiveXDatabjet訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理、越限報(bào)警和數(shù)據(jù)顯示查詢(xún)等功能。當(dāng)鍵入主鍵值ID時(shí)，程序訪(fǎng)問(wèn)aess數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)展查詢(xún)，并顯示出該ID對(duì)應(yīng)的各字段數(shù)據(jù)值；還可以時(shí)間