基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).doc

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 高慶云 （杭州職業(yè)技術(shù)學院機電系，浙江杭州310018） 【摘要】基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、嵌入式網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心三部分組成。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以ATmega16單片機為控制核心構(gòu)成，配置了符合環(huán)境監(jiān)測標準的各種傳感器，可對10種大氣環(huán)境變量和氣象參數(shù)連續(xù)自動監(jiān)測，并采用ZigBee無線通信模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到嵌入式網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)以S3C2440A處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為平臺，還配置了觸摸式人機界面，不僅能采集大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，還可接入Inter，實現(xiàn)大氣環(huán)境變量和氣象參數(shù)值遠傳。監(jiān)測中心接收嵌入式網(wǎng)關(guān)上傳的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，存入基于Aessxx的大氣環(huán)境信息關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并提供查詢等數(shù)據(jù)管理功能。 關(guān)鍵詞環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；zigbee；無線通信；嵌入式系統(tǒng) 0引言 環(huán)境監(jiān)測是為保護環(huán)境和保障人群健康，運用化學、生物學、物理學和公共衛(wèi)生學等方法間斷或連續(xù)地測定環(huán)境中污染物的濃度，觀察、分析其變化和對環(huán)境影響的過程1。隨著社會進步與經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境保護問題越來越受到人們的關(guān)注。世界各國都致力于控制和減少環(huán)境污染，研究環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的綠色方案，我國也提出了發(fā)展低碳經(jīng)濟的戰(zhàn)略目標，并對環(huán)境自動監(jiān)控提出了更高的要求。 大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)應能夠準確、及時、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，要求覆蓋面廣，監(jiān)測點布設(shè)靈活，從而為環(huán)境管理、污染源控制和環(huán)境規(guī)劃等提供科學依據(jù)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)特定區(qū)域環(huán)境信息的實時采集、無線傳輸和集中處理，是實現(xiàn)大氣環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測的一種先進解決方案。 1系統(tǒng)總體方案 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。嵌入式網(wǎng)關(guān)和若干傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成星形拓撲結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由隨機部署在感興趣區(qū)域內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實時采集大氣環(huán)境信息和氣象參數(shù)，經(jīng)過預處理之后，以ZigBee無線通信方式發(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)采集能力，還配置了LCD觸摸屏人機界面，其主要功能是將各監(jiān)測點的環(huán)境數(shù)據(jù)匯總之后，通過Inter傳送給大氣環(huán)境監(jiān)測中心（PC），即實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Inter接入。環(huán)境監(jiān)測中心對特定區(qū)域的大量環(huán)境數(shù)據(jù)和氣象參數(shù)進行檢查分析之后，存儲到Aess數(shù)據(jù)庫中，以便統(tǒng)計處理和數(shù)據(jù)查詢。 2環(huán)境監(jiān)測變量及傳感器 大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測（airqualitymonitoring）是指對一個地區(qū)大氣中的主要污染物進行布點觀測，并由此評價大氣環(huán)境質(zhì)量的過程2。國務院環(huán)境保護領(lǐng)導小組發(fā)布的環(huán)境空氣質(zhì)量標準規(guī)定了環(huán)境空氣質(zhì)量功能區(qū)劃分、標準分級、污染物項目、取值時間及濃度限值。選擇環(huán)境空氣質(zhì)量標準中規(guī)定的二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）等可用傳感器測量的幾種大氣污染物作為系統(tǒng)監(jiān)測對象。由于大氣污染與氣象條件密切相關(guān)，因而在大氣污染監(jiān)測中應包括風向、風速、溫度、相對濕度、氣壓等氣象參數(shù)的測定3。此外，CO2是反映碳排放的重要指標，所以將其列為監(jiān)測項目之一，故基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測變量共有10種。遵循低成本、高可靠性、適當精度、使用方便等原則，為大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配置了以下8種傳感器模塊： （1）SO2傳感器：選擇模擬輸出型二氧化硫傳感器模塊SMC-CDX，它采用雙光束非分光紅外線（NDIR）檢測技術(shù)，具有抗其它氣體干擾、穩(wěn)定性好、自帶溫度補償?shù)忍攸c，輸出符合Modbus協(xié)議的模擬信號420mA，經(jīng)過信號變送器產(chǎn)生05VDC的模擬信號。 （2）NO2傳感器：選用深圳市富安達智能科技有限公司研發(fā)的NO2/S-500-S傳感器（量程：0500ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度范圍：-20C-45C，工作濕度范圍：15-90%），無需偏執(zhí)電壓，具有良好的重復再現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性，經(jīng)信號放大電路及信號變送器輸出05VDC的模擬信號。 （3）CO傳感器：選用英國Alphasense公司的一氧化碳傳感器CO-BF（量程：0-1000ppm，分辨率：0.5ppm，工作溫度：-3050，工作濕度：1590RH），經(jīng)信號放大及變送后產(chǎn)生05VDC模擬信號。 （4）O3傳感器：選用MQ131臭氧氣體檢測模塊（工作電壓：5VDC），它具有模擬量輸出及TTL電平輸出的雙路信號輸出，TTL低電平輸出有效，可直接與單片機I/O口相連。 （5）風速風向傳感器：配置的M288865包括了風速傳感器和風向傳感器。風速傳感器（量程：040m/s，精度：0.3m/s）可以產(chǎn)生TTL電平頻率信號，風向傳感器（量程：0360o，精度：0.1%）在精密導電塑料電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出，可經(jīng)過變換電路產(chǎn)生05VDC模擬輸出信號。 （6）溫濕度傳感器：選用含有校準數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11（溫度量程：-40123.8，濕度量程：0100%RH，溫度測量精度：0.3，濕度測量精度：1.8%），它采用準IIC方式傳輸數(shù)據(jù)。 （7）氣壓傳感器：選擇德國BOSCH氣壓傳感器系列的BMP085（量程：3001100mbar，精度：0.03mbar，工作溫度范圍：-4085），用8-Pin陶瓷無引線芯片承載（LCC）超薄封裝，可以通過IIC總線直接與各種微處理器相連。 （8）CO2傳感器：選擇采用固體電解質(zhì)電池原理的MG811型CO2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)信號放大及調(diào)理后產(chǎn)生05VDC的模擬輸出信號。 3大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 3.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是一個由傳感單元、處理單元、無線收發(fā)單元和電源單元4個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。它的控制能力、數(shù)據(jù)存儲能力、分析計算能力和通信能力相對嵌入式網(wǎng)關(guān)較弱。傳感單元分為模擬和數(shù)據(jù)兩部分，SO2傳感器(SMC-CDX)、NO2傳感器(NO2/S-500-S)、CO傳感器(CO-BF)、CO2傳感器(MG811)和風向傳感器(M288865/DIR)的輸出信號經(jīng)過放大和調(diào)理之后，輸出05V模擬信號，可接入MCU的ADC通道；O3傳感器(MQ131)、風速傳感器(M288865/SPEED)輸出TTL電平脈沖信號，可接入MCU的計數(shù)通道。溫濕度傳感器(SHT11)采用準IIC方式向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，DATA和SCK信號可直接與MCU的I/O引腳連接；氣壓傳感器(BMP085)使用標準IIC總線向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)。處理單元主要協(xié)調(diào)、控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理采集數(shù)據(jù)，并與其它節(jié)點合作完成被指派的感知、監(jiān)測任務，是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，從節(jié)約成本、提高可靠性等方面考慮，選用ATmega16單片機。無線收發(fā)單元將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接入傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用TI公司的系統(tǒng)芯片（SoC）CC2530F256，運行ZigBeexx/PRO協(xié)議，通過USART與MCU傳輸數(shù)據(jù)，滿足以Zigbee為基礎(chǔ)的2.4GHz的ISM頻段應用。電源單元則為傳感器節(jié)點提供維持正常運行所必須的能量。 3.2嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計 嵌入式網(wǎng)關(guān)以ARM微處理器為核心，包括傳感單元、基本外圍電路、存儲單元、ZigBee通信、Inter通信和觸屏顯示6部分，其硬件組成如圖3所示。選擇SamSung公司的基于ARM920T架構(gòu)的16/32位RISC處理器S3C2440A作為控制核心，協(xié)調(diào)其它所有工作單元有序運行，實現(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)預處理、數(shù)據(jù)存儲、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)點的傳感單元相同?；就鈬娐钒娫措娐?、時鐘電路和復位電路，為S3C2440A正常運行以及嵌入式網(wǎng)關(guān)中所有外圍電路正常工作提供基本保障。存儲單元擴展了SDRAM和FLASH兩種存儲器，分別為程序代碼和各種數(shù)據(jù)提供存儲空間。ZigBee通信模塊負責與WSN內(nèi)的各傳感器節(jié)點通信，搜集監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境信息。觸屏顯示單元采用Toppoly3.5寸LCD模塊，移植了Qt界面，便于用戶在現(xiàn)場進行傳感器網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)配置，查詢?nèi)我鈺r刻采集的環(huán)境數(shù)據(jù)等。Inter通信模塊將匯總的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心，并與ZigBee模塊聯(lián)合實現(xiàn)ZigBee和TCP/IP兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。 4大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件 4.1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實行被動式數(shù)據(jù)采集行為，即僅當接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令時才執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的任務，其它時間則進入休眠模式以降低電能消耗。 傳感器節(jié)點應用軟件的設(shè)計過程相對簡單，其程序流程如圖4所示。上電復位后首先初始化硬件，向嵌入式網(wǎng)關(guān)報告自己的ID信息，加入WSN之后就進入空閑模式。在此模式下，CPU停止運行，而SPI、USART、ADC、定時器/計數(shù)器、看門狗和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。諸如定時器溢出與USART傳輸完成等內(nèi)外部中斷都可以喚醒MCU5。因此，當接收到嵌入式網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集命令后，USART接收中斷會將MCU喚醒，即刻采集大氣污染物數(shù)據(jù)，再通過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S3C2440A微處理運行Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，其軟件部分包括啟動引導程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序和應用程序，前3部分是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)部分，目前已有相對較為成熟的版本出現(xiàn)，只需要針對具體硬件平臺進行修改、裁減即可完成移植工作，不必重新開發(fā)。 4.2.1驅(qū)動程序 驅(qū)動程序是應用程序和實際設(shè)備之間的一個軟件層6。分為字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器都是簡單的硬件設(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)備結(jié)構(gòu)體，申請和釋放設(shè)備號以及填充file_operations結(jié)構(gòu)體。file_operations結(jié)構(gòu)體用來建立設(shè)備編號與驅(qū)動程序操作的連接，實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)體中的read()、write()、ioctl()等函數(shù)是驅(qū)動程序設(shè)計的主題工作。 傳感器設(shè)備驅(qū)動程序所實現(xiàn)的只是最重要的設(shè)備方法，比如SHT11和CO2的file_operations結(jié)構(gòu)被初始化為如下形式： structfile_operationsshtxx_fops= .owner=THIS_MODULE, .open=sht11_open, .ioctl=sht11_ioctl, .release=sht11_release, ; staticstructfile_operationsadc_fops= owner:THIS_MODULE, open:adc_co2_open, read:adc_co2_read, ioctl:adc_co2_ioctl, release:adc_co2_release, ; 4.2.2應用程序 嵌入式網(wǎng)關(guān)應用程序主要包括兩個線程和一個中斷服務程序，其執(zhí)行流程如圖5所示。上電后，首先進入main函數(shù)（主線程）初始化并設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)用signal函數(shù)設(shè)置SIGALRM信號的信號處理程序用以完成嵌入式網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測中心的TCP/IP通信任務，然后設(shè)置定時器，再調(diào)用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建Data_Collection線程負責數(shù)據(jù)采集任務，之后運行基于事件驅(qū)動的Qt程序，在這段代碼中將程序控制權(quán)交給用戶，用戶通過操作界面可以設(shè)置嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)或查看實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。 4.3大氣環(huán)境監(jiān)測中心軟件 使用Aessxx創(chuàng)建大氣環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，利用visualc+提供的ADO（ActiveXDataObject）訪問數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理、越限報警和數(shù)據(jù)顯示查詢等功能。當鍵入主鍵值（ID）時，程序訪問aess數(shù)據(jù)庫進行查詢，并顯示出該ID對應的各字段數(shù)據(jù)值；還可以時間為橫軸，參數(shù)值為縱軸顯示某一時間段的變化曲線。如圖6所示。5結(jié)論 系統(tǒng)綜合測試表明，環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可按照設(shè)計要求采集數(shù)據(jù)，并能正確接收、執(zhí)行嵌入式網(wǎng)關(guān)下發(fā)的各種命令；嵌入式網(wǎng)關(guān)可實現(xiàn)WSN自組網(wǎng)功能，并支持傳感器節(jié)點動態(tài)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，且人機界面簡單易用；大氣環(huán)境監(jiān)測中心可顯示環(huán)境信息歷史數(shù)據(jù)和變化曲線，支持各種查詢。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、嵌入式網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信良好，可協(xié)同完成特定區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化任務。 參考文獻 陳玲,趙建夫.環(huán)境監(jiān)測M.北京:化學工業(yè)出版社,xx:10-11. 孫春寶.環(huán)境監(jiān)測原理與技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,xx:7. 國家環(huán)保部.HJ/T193-xx,環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范S.北京:中國環(huán)境科學出版社,x