多参数空气质量监测系统设计

张少华，肖金球*，李长才

（1.苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏苏州215009）

多参数空气质量监测系统设计

张少华1，2，肖金球1，2*，李长才1，2

（1.苏州科技大学电子与信息工程学院，江苏苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏苏州215009）

为了提高空气质量监测水平，实现对空气中多参数的实时监测，设计了一种基于无线传感网的多参数空气质量监测系统。系统将ZigBee无线传感网与各传感器相结合，实现数据的实时采集和传输，以ARM处理器S3C2410为硬件电路的核心，通过GPRS模块将数据发送到监测中心显示并保存。测试结果表明：该监测系统运行稳定，覆盖范围广，能对空气中多个参数实时监测，具有较高的实用性。

无线传感网；多参数；实时监测；GPRS

随着我国经济飞速发展，工业化和城市化带来的不仅仅是现代化的生活，还有随处可见的污染，对于空气污染的监测已成为现今最热的话题之一。目前空气质量监测采用的方法主要有两种：传统的人工取样实验室分析法和利用外国进口的自动化空气检测设备进行在线监测的方法[1]。这两种监测方法都存在一定的缺点，因此，有必要设计一个能对空气中多种有害气体以及PM2.5等参数进行实时监测的系统[2-3]，使用安放在不同区域的气体传感器采集空气中污染物的浓度，并将所采集的数据通过ZigBee无线传感网传输数据到主节点上，最后主节点通过GPRS模块将数据发送到远程监测中心，及时了解不同地区空气中各污染物的浓度，当某项参数超标时进行报警提醒[4-5]，以便相关部门及时对污染采取防治措施。基于ZigBee无线传感网的空气质量监测是一种典型的无线传感器网络应用[6-7]，这种方法能实时自动监测，且各节点可移动性高，运行和维护简单方便。

1 系统总体方案设计

文中设计了一种基于无线传感网的多参数空气监测系统，系统的总体结构如图1所示，系统能监测空气中的多个参数，实时反映出监测区域空气的状况，当有参数超标及时发出警报。系统可以对不同区域进行监测，为了方便无线传感网进行自主组网，各区域内的监测节点在组网时采用多级异构分簇的路由协议。根据监测需要选择相对应的传感器，可对各区域空气中的多种参数实时监测，主要包括温度、湿度、气压和PM2.5的值，以及CO、CO2、O3、NO2、SO2等气体的浓度。各监测节点所测得的数据都汇总到网关节点，由ARM处理器S3C2410对数据进行处理分析，监测结果用GPRS模块发送到监测中心的服务器上[8-9]，使监测中心能实时掌握各区域所测信息。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要包括各类传感器和相应的调理电路以及射频芯片，各无线传感网中的监测节点负责采集空气中各项参数的数值，网关节点则负责接收和汇总各区域监测节点采集的数据，最后传输给处理模块，可以实现对监测参数的感知、采集和预处理。

2.1.1传感器与调理电路

系统所选取的传感器主要有温、湿度传感器，气体传感器和PM2.5传感器。

PM2.5的检测采用的是光学空气质量传感器GP2Y1010AU0F，传感器内部有红外线发光二极管和光电晶体管，通过对角安放使光电晶体管能够检测到气室中尘埃颗粒的反射光的光照强度。

在空气监测中，气体检测通常使用对应的气体传感器，其中电化学传感器是用于检测气体时使用最多、技术最完善、检测性能最好的方法，该系统就是采用各类气体的电化学传感器。选取的传感器应具有良好的分辨率、检测精度等参数，气体电化学传感器的主要技术指标见表1。

表1 电化学传感器主要技术参数

为保证系统采集数据的准确性，使用电化学传感器时，需每隔一段时间对其进行校准调零，系统选用TI公司生产的一款新型可编程电化学模拟前端芯片LMP91000[10]。 LMP91000芯片通过编程控制增益和温度补偿，能够完成传感器的自动调零和智能校准，能很大程度上提高测量结果的精度，调理电路具体如图2所示。电路的数字接口部分与控制器的ADC和I2C（SCL和SDA）接口相连，可直接读取传感器输出信号以及实现芯片的控制。

图2 电化学传感器调理电路

2.1.2 ZigBee无线传感网

ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗的数据通信网络协议，建立在IEEE802.15.4标准基础上，主要工作在2.4 GHz、915 MHz和868 MHz的3个频段上，传输距离在10-75 m的范围内，ZigBee网络可以将多个小型的传感器组织起来通信，网络能够覆盖整个监测区域，可以和互联网、GPRS网络等数据传输网进行连接，很大程度上能降低远程监控和数据传输的成本。

ZigBee监测节点采用TI公司生产的芯片CC2530，CC2530在单个芯片上集成了一个工作在2.4 GHz频段IEEE802.15.4标准的RF无线电收发机和一个高性能低功耗的8051微控制器，其无线接收灵敏度高且抗干扰性强，特别适用于搭建功能健全、价格低廉的网络节点。

2.2 核心处理模块

该系统的核心处理模块完成将网关传来的数据进行处理，终端显示，参数设置、数据存储等任务，并将处理所得的数据通过通信模块传输给监测中心，核心处理模块的系统框图如图3所示。

图3 核心处理电路的系统框图

2.2.1 ARM处理器

该系统的处理器是三星公司生产的16/32位RSIC处理器S3C2410。这是一款CPU采用ARM920T内核的嵌入式微处理器，具有低价格、低功耗、高性能等特点。ARM920T实现了MMU、AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构，这一结构具有独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache，每个都是由8字长的行构

成，通过提供一系列完整的系统外围设备，消除了为系统配置额外器件的需要，可以大大缩短开发周期。虽然S3C2410的运算能力一般，但拥有多个控制器和接口，以及其他外设的扩展，能够完全满足空气监测系统中数据处理和网络传输的要求。

2.2.2 供电电路

该系统要将各传感器模块放置在不同的监测地点，放置地点都处于户外，因此，只有工作稳定、可靠且容量大的电池才能满足系统的供电。电源作为整个系统驱动的基础，对系统的安全性、可靠性和正常运行都起关键作用，因此，选用可充电的胶体太阳能蓄电池，胶体太阳能蓄电池有比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力，并且电池使用寿命长，能适用不同的环境要求，适合为该系统的供电。

2.3 无线通信模块

考虑到该系统通信模块安放地点条件恶劣，为了节约成本，保证系统稳定，实现所需功能，无线通信模块采用的是GPRS模块，将处理过的信息发送到远程监测中心的服务器，发送和接收均通过GPRS模块完成。系统使用西门子公司生产的MC55i模块，这是一款应用范围广泛并且成熟可靠的GPRS模块，接收速率可达86.2 kbps，发送速率则为21.5 kbps，通过RS232连接S3C2410处理器，利用AT指令进行控制，收发数据，无需编程，操作简单，抗干扰能力强。

图4 ZigBee组网流程图

3 软件设计

系统软件主要有户外设备处理软件和上位机监测系统软件两部分组成。户外设备处理软件主要包括检测终端、无线网关和路由以及数据处理等设备上的的软件。上位机监测系统软件则主要负责接收GPRS模块传输的数据，然后进行处理后存入服务器，并将最终的监测结果显示在终端显示器上。

3.1 户外设备处理软件

现场设备软件主要分为两大部分。第一部分是ZigBee组网以及其中各个节点的软件设计，软件设计具体流程如图4所示。其中包括OSAL的初始化、ZigBee网络的组建、各节点的初始化和数据的采集处理等模块。第二部分是嵌入式系统的初始化和处理完数据的GPRS传输，具体流程如图5所示。

图5 系统程序执行流程图

3.2 上位机监测系统软件

上位机监测系统软件主要由路由器、防火墙、服务器以及相应的软件程序构成，能够完成数据实时收发、数据的存储、直观地呈现在数据显示界面中，以方便工作人员进行实时查询和对历史记录的查询。用户登录软件并选择监测区域后的界面如图6所示，上半部分直接显示监测区域测得的实时数据，下半部分则可对历史数据进行查询，在选择所需查询的参数和起止时间后便可得到历史记录的曲线。

图6 监测系统数据查询界面

4 系统测试与结果

为了测试该系统的实际使用性，选取对苏州市上方山景区

周围区域进行测量，将连续多天测量的结果绘制成折线图，空气的温度和湿度测量结果如图7所示，PM2.5和CO2参数测量结果如图8所示。将以上结果与国家权威机构所发布的数据进行对比，所测数据与其发布数据基本吻合，某些点会存在误差，经分析得出结论，是由于传感器放置地点不准确引起测量结果的不准确，以后将进一步完善确定传感器的准确位置。

图7 温度、湿度测量结果

5 结语

该系统是基于ZigBee无线传感网的数据采集，以ARM处理器S3C2410为控制核心构建的嵌入式监测平台，实现了对空气中多参数的采集监测、存储传输与终端显示。系统可对空气中多个参数的值进行实时动态监测，且体积小、成本少、功耗低，采用太阳能电池供电，具有低功耗、寿命长、绿色环保等优点。系统运行稳定、测量准确、可靠性高，具有很高的实际使用价值和较好的市场应用前景。

图8 PM2.5和CO2测量结果

[1]刁慧琴.ZigBee技术在污染气体监测系统中的研究与应用[D].上海：东华大学，2012.

[2]陈荣军，余祥云，谭洪舟，等.基于S3C6410的远程无线环境监测系统设计[J].电子技术应用，2014，40（5）：143-146.

[3]徐珍，周凤星，陈虎.基于ARM处理器的CO气体在线监测系统的设计[J].工业安全与环保，2011，37（9）：24-25.

[4]陈聪伟，肖金球，刘士游，等.基于ARM的水体溶解氧监测系统设计[J].微型机与应用，2014，33（24）：35-37，41.

[5]陈荣军，余祥云，谭洪舟，等.基于S3C6410的远程无线环境监测系统设计[J].电子技术应用，2014，40（5）：143-146.

[6]穆亚梅.基于ZigBee无线传感网络空气质量监测系统的实现[J].自动化与仪器仪表，2014（3）：83-84.

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[8]李建坡，钟鑫鑫.基于GPRS的空气质量综合监测系统[J].东北电力大学学，2014，34（5）：69-37.

[9]王凡，李博.基于开源硬件的在线空气质量监测系统设计[J].电子技术应用，2014，40（12）：82-85.

[10]许剑锋，芦静，郝欢，等.基于LMP9100的电化学传感器调理电路设计[J].传感器世界，2014，20（3）：23-25.

Design of multi-parameter air quality monitoring system

ZHANG Shaohua1，2，XIAO Jinqiu1，2，LIChangcai1，2
（1.School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.SuzhouIntelligence Control Engineering Technology Center，Suzhou 215009，China）

Aimed at solving the existed air quality monitoring problems,improving the monitoring level and realizing the real-time monitoring of multi-parameters,we designed a multi-parameter air quality monitoring system based on wireless sensor network.Combining ZigBee wireless sensor network with various sensors,this system implemented data real-time acquisition and transmission.It also used ARM processor S3C2410 as the core of hardware circuit sending the data to the monitoring center via GPRS module for display and restoration.Test results show that the system has the advantages of stability and wide coverage.It can realize the real-time air monitoring of multi-parameters with high practical value.

wireless sensor network；multi-parameter；real-time monitoring；GPRS

TP368.1

A

1672－0687（2016）04－0068－04

责任编辑：艾淑艳

2016－04－05

江苏省住房和城乡建设厅科技项目（2014JH12）；苏州科技学院科研基金资助项目（XKZ201412）

张少华（1991-），男，江苏丹阳人，硕士研究生，研究方向：智能测控技术。

*通信联系人：肖金球（1963-），男，教授，硕士，硕士生导师，E-mail：xjq@mail.usts.edu.cn。