江鳳蓮，魏龍華，李松潘

（福建龍巖學(xué)院，福建 龍巖 364012）

1 引言

我國(guó)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，基本上是從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比起步較晚.近年來(lái)，國(guó)家對(duì)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)日趨重視，部分省、市與重點(diǎn)城市開(kāi)展了聯(lián)網(wǎng)空氣質(zhì)量檢測(cè)工作，但是仍然存在很大的局限性[1]，如氣象局每天所發(fā)布城市空氣質(zhì)量指數(shù)，只能總體上描述一個(gè)城市的整體空氣質(zhì)量，然而實(shí)際情況中，市區(qū)和郊區(qū)、同一城市的不同區(qū)域的空氣質(zhì)量是有區(qū)別的.同時(shí)，各大城市呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)體檢異常率上升明顯.主要是由于空氣中可吸入顆粒物污染導(dǎo)致，43%的城市居民表示曾出現(xiàn)心悸、疲勞、暈眩、呼吸困難等心血管系統(tǒng)異常癥狀.當(dāng)前，“霧霾”已經(jīng)引起廣大市民的極大關(guān)注，而對(duì)于空氣質(zhì)量，人們最為關(guān)心的就是PM2.5值.因?yàn)殪F霾具有流動(dòng)性，導(dǎo)致同一城市的不同地區(qū)PM2.5值也不同，甚至室內(nèi)和室外的值也是不同的.這就迫切需要一個(gè)能實(shí)時(shí)實(shí)地監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的設(shè)備，使人們?cè)诔鲂袝r(shí)對(duì)空氣質(zhì)量判斷有個(gè)更精準(zhǔn)的依據(jù).運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與微信平臺(tái)建立空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效地監(jiān)測(cè)空氣中各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，并通過(guò)各個(gè)采集站點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總做出有效預(yù)測(cè).而微信用戶在關(guān)注系統(tǒng)微信公眾賬號(hào)后，即可訪問(wèn)從分布式監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù).

基于微信公眾平臺(tái)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，甚至每分鐘都會(huì)給用戶一個(gè)值，這個(gè)值能反映前5分鐘的空氣質(zhì)量狀況.因此，開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]，無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)[3]等，通過(guò)空氣質(zhì)量智能分析平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)龍巖市區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量檢測(cè)、分析和報(bào)警提示.在不同區(qū)域安裝若干個(gè)低功耗的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊，安全節(jié)能，可同時(shí)檢測(cè)PM2.5、空氣溫濕度等指標(biāo).能夠大大地提高環(huán)境監(jiān)管和保護(hù)的效率.

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4]組成，感知層的主要功能是通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)等感知設(shè)備，獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)的相關(guān)信息，如溫度、濕度、可燃?xì)怏w等.通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個(gè)自治網(wǎng)絡(luò)，采用協(xié)同工作的方式，提取有用的信息，并通過(guò)接入設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)中的其它設(shè)備實(shí)現(xiàn)資源共享和交流互通.網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是將來(lái)自感知層的信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)中,通過(guò)學(xué)習(xí)以IPV6/IPV4為核心建立的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息資源整合成一個(gè)可能互聯(lián)互通的大型智能網(wǎng)絡(luò),為上層服務(wù)管理和大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用建立一個(gè)高效、可靠、可信的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，通過(guò)大型的中心計(jì)算機(jī)平臺(tái)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)獲取的海量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理和控制，并為上層應(yīng)用提供一個(gè)良好的用戶接口.應(yīng)用層的主要功能是集成系統(tǒng)底層的功能，構(gòu)建起面向環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)實(shí)際應(yīng)用，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警等功能[5].系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分采用基于S3C2440處理器的ARM開(kāi)發(fā)板，具有低功耗性能且具有射頻無(wú)線收發(fā)器的功能.通過(guò)處理器內(nèi)部封裝的無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、有害氣體、粉塵顆粒溶濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè).主要包括三個(gè)部分：監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器端，用戶端.通過(guò)無(wú)線路由器將三者連接；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分為室內(nèi)節(jié)點(diǎn)和室外節(jié)點(diǎn)，通過(guò)路由器將節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器連接起來(lái)，理論上，一個(gè)網(wǎng)段可以支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)，室內(nèi)節(jié)點(diǎn)安裝在小區(qū)的室內(nèi)，用來(lái)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的環(huán)境狀況，有溫度，濕度，可燃?xì)怏w（防止煤氣泄漏導(dǎo)致火災(zāi)及中毒），而室外節(jié)點(diǎn)則監(jiān)測(cè)小區(qū)周?chē)沫h(huán)境，有pm2.5，溫度，濕度.微信用戶在關(guān)注系統(tǒng)微信公眾賬號(hào)后，即可訪問(wèn)從分布式監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù).

3.1 分布式監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

組成：采用Mini2440開(kāi)發(fā)板，接有USB無(wú)線網(wǎng)卡，溫度傳感器ds18b20,濕度傳感器DHT11，MQ-2煙霧氣敏傳感器，PM2.5粉塵傳感器和步進(jìn)馬達(dá)(模擬窗戶控制)組成.室內(nèi)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 室內(nèi)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)功能：監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠從各種傳感器中讀取當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務(wù)器.室內(nèi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是對(duì)溫度，濕度，可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而室外節(jié)點(diǎn)則監(jiān)測(cè)pm2.5，溫度，濕度.室內(nèi)的窗戶可以受用戶遠(yuǎn)程控制，即室內(nèi)的窗戶會(huì)通過(guò)室外pm2.5的濃度自動(dòng)開(kāi)關(guān).

3.2 本地服務(wù)器

實(shí)現(xiàn)功能：服務(wù)器主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和處理的樞紐，服務(wù)器將傳感器收集到的信息進(jìn)行處理，將結(jié)果發(fā)送至新浪云服務(wù)器.

3.3 微信和新浪云

實(shí)現(xiàn)功能：新浪云服務(wù)器保存著從本地服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)，等待微信公眾平臺(tái)訪問(wèn).

4 具體實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)工作流圖

4.2 監(jiān)測(cè)端工作流程

監(jiān)測(cè)端采用多傳感器信息融合算法[6]，對(duì)于溫度傳感器、濕度傳感器、有害氣體傳感器等多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步判斷空氣質(zhì)量，在參照行業(yè)準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合與使用，從而獲得對(duì)空氣質(zhì)量的描述和評(píng)估，進(jìn)一步依據(jù)相應(yīng)結(jié)果作出相應(yīng)的決策與估計(jì)（如是否關(guān)閉窗戶等）.監(jiān)測(cè)端工作流程如圖4所示.

4.3 服務(wù)器端工作流程

服務(wù)器端分為本地服務(wù)器和新浪云服務(wù)器，本地服務(wù)器將區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集到各項(xiàng)數(shù)據(jù)與參數(shù)進(jìn)行處理、分析與存儲(chǔ)等工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)送至新浪云服務(wù)器.新浪云服務(wù)器保存著從本地服務(wù)器上傳的數(shù)據(jù)，隨時(shí)隨地等待微信公眾平臺(tái)訪問(wèn).這樣，無(wú)論是在家里、辦公室還是出差外地，用戶均可簡(jiǎn)單方便地了解區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量.服務(wù)器工作流圖如圖5所示.

圖4 監(jiān)測(cè)端工作流程

圖5 服務(wù)器端工作流程

5 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

系統(tǒng)與微信結(jié)合 分布式數(shù)據(jù)采集 低成本 穩(wěn)定性 實(shí)用性 安全性使用目前國(guó)內(nèi)較少的物聯(lián)網(wǎng)與騰訊微信公眾平臺(tái)的結(jié)合模式，使得用戶操作簡(jiǎn)單，高效而且易于推廣系統(tǒng)采集多個(gè)分布在不同地區(qū)的傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析本系統(tǒng)使用到了新浪云SAE和騰訊微信公眾平臺(tái)，這些服務(wù)的費(fèi)用低廉，大大降低了系統(tǒng)成本為了防止傳感器偶爾的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和短暫的外界干擾，系統(tǒng)采用特定的容錯(cuò)算法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)對(duì)外共享，方便周?chē)渌脩袅私猸h(huán)境系統(tǒng)對(duì)不同的權(quán)限的用戶有著嚴(yán)格的權(quán)限控制，保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全

6 總結(jié)與展望

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域化環(huán)境監(jiān)測(cè)，授權(quán)用戶可以通過(guò)微信遠(yuǎn)程操縱嵌入式系統(tǒng).整個(gè)系統(tǒng)的成本較低，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，用戶只需有微信號(hào)就可以監(jiān)測(cè)各區(qū)域（如小區(qū)、車(chē)站和個(gè)體戶區(qū)域等）的空氣質(zhì)量.同時(shí)也可方便地為其它有需求的用戶提供數(shù)據(jù)參考.

〔1〕郭曉雷.城市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)方法研究綜述[J].科技傳播，2011（15）:14-17.

〔2〕馬寅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012(8):78-80.

〔3〕梁子君.宋志宏,張博,等.基于無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的交通信息采集集方法研究 [J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011(12):39-41.

〔4〕孫其博,劉杰,黎羲,等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(3):1-9.

〔5〕劉強(qiáng),崔莉,陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2010,6(6):10-11.

〔6〕馬曼,程鉛,陳慧，等.基于信息融合技術(shù)的空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子器件,2013,8(4):556-557.