梅志堅(jiān)，馬婭婕,肖凡男

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

基于ZigBee和GPRS的大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梅志堅(jiān)，馬婭婕,肖凡男

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

設(shè)計(jì)一種基于ZigBee和GPRS的大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由資源層、中間層和應(yīng)用層3部分組成。資源層采用ZigBee模塊作為無線組網(wǎng)模塊，利用STM32F107單片機(jī)作為控制芯片，與傳感器一起組成一個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)；傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后，以串行通信協(xié)議發(fā)給ZigBee模塊，再通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器；集中器由ZigBee模塊、單片機(jī)和GPRS模塊組成，集中器將收到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送給服務(wù)器，并實(shí)時存入數(shù)據(jù)庫。中間層負(fù)責(zé)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。應(yīng)用層通過中間層對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，得到相關(guān)的監(jiān)測信息并對空氣質(zhì)量狀況做出報(bào)道。

大氣污染監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； ZigBee；GPRS；集中器

隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷加快，大氣環(huán)境也受到了嚴(yán)重的影響。各種大氣污染物的排放量持續(xù)增加，特別是近年來各大城市出現(xiàn)的霧霾天氣，對人類的生存和發(fā)展造成了一定的威脅。因此，建立一個完善的大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)刻不容緩[1]。

在實(shí)際工作中，隨著大氣污染監(jiān)測項(xiàng)目的增多、監(jiān)測范圍的擴(kuò)大、點(diǎn)位的密布，人工監(jiān)測已難以滿足要求?，F(xiàn)有的大氣污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)大多局限于通過電話線的點(diǎn)對點(diǎn)式通信，缺少利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站間的橫向聯(lián)系，尤其是對于需要多部門合作解決的大氣污染問題，較少應(yīng)用遠(yuǎn)程無線技術(shù)。而目前我國的大氣污染自動監(jiān)測系統(tǒng)基本上依靠引進(jìn)國外技術(shù)及設(shè)備來完成，不但價(jià)格昂貴，且跟我國的具體情況結(jié)合不夠，尤其是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制與診斷方面同國內(nèi)的實(shí)際需求相差甚遠(yuǎn)。

為了解決上述問題，本文提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]的大氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，擬采用ZigBee和GPRS無線通信技術(shù)[3]，完成大氣污染連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)的改進(jìn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)為3層結(jié)構(gòu)：資源層、中間層及應(yīng)用層[4]，如圖1所示。

(1)資源層：這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最底層，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有的硬件管理，包括傳感器組網(wǎng)、數(shù)據(jù)的采集、存儲及傳輸?shù)取８鱾€傳感器進(jìn)行監(jiān)測時都會對相關(guān)信息進(jìn)行記錄保存(例如監(jiān)測時間、地點(diǎn)、檢測物類型、含量等)，這些信息最終會實(shí)時存入服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫，形成報(bào)表文件，便于上層調(diào)用。

(2)中間層：這是管理傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心層。該層主要完成執(zhí)行管理、分布式數(shù)據(jù)挖掘和傳感器注冊表控制等功能。

(3)應(yīng)用層：通過中間層，應(yīng)用層可以獲取資源層的信息，即允許應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫中存儲的關(guān)于監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)調(diào)用到自己的程序中。操作人員可以登錄服務(wù)器，獲取數(shù)據(jù)庫中所需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)處理。例如，可以將某地某段時間范圍內(nèi)某種污染物的含量變化用曲線圖形式表示出來，這樣就能很直觀地了解到各地的空氣污染狀況。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件

大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件系統(tǒng)共分為3個部分：ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和應(yīng)用終端。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)(資源層)實(shí)現(xiàn)大氣污染數(shù)據(jù)的采集、存儲、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸以及通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器；服務(wù)器(中間層)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，并進(jìn)行存儲和分析處理；應(yīng)用終端(手機(jī)或個人電腦，應(yīng)用層)可以訪問服務(wù)器并根據(jù)不同需求獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、路由器和集中器3個部分組成[5]，其中集中器是ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。

(1)傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)：在整個大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集各種傳感器的數(shù)據(jù)(包括PM2.5、臭氧、二氧化硫、一氧化氮等的濃度以及溫度和濕度等)，匯總并按照ZigBee傳輸協(xié)議發(fā)送給路由器，或接收從路由器傳達(dá)的采集命令并執(zhí)行操作。

(2)路由器：為了增強(qiáng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性而加入到網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，其主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，既要與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通信，接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，又要與集中器通信，將數(shù)據(jù)傳給集中器，為不能直接通信的各個節(jié)點(diǎn)提供無線中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定順暢地傳輸?shù)郊衅魃蟍6]。

(3)集中器：每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個集中器，它負(fù)責(zé)管理整個網(wǎng)絡(luò)，匯集網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器采集的數(shù)據(jù)，存儲并通過GPRS模塊將所有數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，也可以接收服務(wù)器下達(dá)的命令，并轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件

傳感器節(jié)點(diǎn)由STM32F107單片機(jī)、傳感器、信號處理電路、電源模塊和ZigBee模塊5個部分組成[7]，如圖3所示。

傳感器采集的大氣污染數(shù)據(jù)通過信號處理電路放大，再傳給STM32F107單片機(jī)進(jìn)行處理；STM32F107先把接收的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，然后通過換算得出污染物的濃度值，再由串口發(fā)給ZigBee模塊，ZigBee模塊通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)出；電源模塊負(fù)責(zé)給整個系統(tǒng)供電。

本系統(tǒng)中采用的ZigBee模塊為DIGI公司的XBee-POR模塊。該模塊的工作頻段為ISM 2.4 GHz，其具有成本低、功耗低、硬件集成度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無線抄表、智能家居等多個領(lǐng)域。每個模塊均可配置為集中器、路由器或終端節(jié)點(diǎn)，并可通過免費(fèi)軟件X-CTU利用AT和API兩種命令模式對模塊進(jìn)行配置和調(diào)試。

2.3 集中器節(jié)點(diǎn)硬件

集中器節(jié)點(diǎn)不僅要通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與傳感器節(jié)點(diǎn)通信，還要通過GPRS與服務(wù)器進(jìn)行通信，它是整個監(jiān)測系統(tǒng)中的重要部分。集中器節(jié)點(diǎn)由ZigBee模塊、STM32F107單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲模塊、GPRS模塊和電源模塊組成，如圖4所示。

集中器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存到存儲模塊中，并由GPRS模塊發(fā)送至服務(wù)器。STM32F107單片機(jī)作為主控制器，它的兩個串口分別與ZigBee模塊和GPRS模塊相連[8]。

GPRS可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，覆蓋范圍廣，傳輸數(shù)據(jù)效率高[9]。本系統(tǒng)利用它來實(shí)現(xiàn)ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)中采用華為MG323模塊作為GPRS模塊，該模塊具有尺寸小、功耗低、傳輸速率高等特點(diǎn)，單片機(jī)通過AT命令與其通信[10]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)軟件包括資源層軟件、中間層軟件和應(yīng)用層軟件，其中資源層軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理和數(shù)據(jù)傳輸，中間層軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲及分析，應(yīng)用層軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示[11]。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

(1)數(shù)據(jù)采集處理主要包括單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等過程。

(2)數(shù)據(jù)傳輸主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)之間的通信、數(shù)據(jù)集中器通過GPRS與外部服務(wù)器之間的通信等。

(3)數(shù)據(jù)存儲及分析主要是基于數(shù)據(jù)庫的存儲與分析，通過對傳感器采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析、數(shù)據(jù)挖掘等工作來提取有用信息。

(4)數(shù)據(jù)顯示主要是制作一個上位機(jī)交互軟件，觀測者可以通過操作軟件了解大氣污染監(jiān)測的各種數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)及未來的變化趨勢等。

3.2 集中器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心部分?jǐn)?shù)據(jù)集中器的軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行上電初始化，然后監(jiān)聽服務(wù)器命令，當(dāng)收到發(fā)送給集中器的命令時，集中器進(jìn)行相應(yīng)處理；采集數(shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)傳過來，則集中器開始接收數(shù)據(jù)，接收完成后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，再由GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)器中，集中器一直處于工作狀態(tài)。

3.3 組網(wǎng)狀態(tài)測試

在上位機(jī)上運(yùn)行串口調(diào)試助手，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)，在終端節(jié)點(diǎn)一端以“0x00+傳感器編號+采集時間+采集數(shù)據(jù)+0xFF”的格式發(fā)送到集中器節(jié)點(diǎn)，由于采集數(shù)據(jù)中帶有小數(shù)，所以將數(shù)據(jù)統(tǒng)一放大一定倍數(shù)按十六進(jìn)制發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器后統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后再處理。集中器一端的串口調(diào)試助手中接收的數(shù)據(jù)如圖7所示。測試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)組網(wǎng)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

4 結(jié)語

本系統(tǒng)采用ZigBee和GPRS無線通信技術(shù)，為大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提供了一種方便、靈活的解決方案。采用高性能Cortex-M3處理器STM32芯片作為主控制器，增強(qiáng)了系統(tǒng)的處理能力。該系統(tǒng)具有成本低、功耗小、無需布線、覆蓋范圍廣、采集數(shù)據(jù)量大、傳輸速率和精確度高、能實(shí)時在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，解決了大氣污染的大范圍、實(shí)時、長期、在線監(jiān)測難題，具有良好的開發(fā)性和較高的實(shí)用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯 尚 晶]

Design of air pollution monitoring system based on ZigBee and GPRS

MeiZhijian，MaYajie，XiaoFannan

(College of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

An air pollution monitoring system was designed based on ZigBee and GPRS, which consists of resource layer, middle layer and application layer. The ZigBee module is chosen in the resource layer to be the wireless networking module. STM32F107 microcontroller is used as the central control chip, which, together with sensors, constructs a monitoring node. The data collected from sensors are processed by the microcontroller first and then sent to the ZigBee module by serial communication protocol. After that, wireless sensor network transmits the data to data concentrator, which is composed of Zigbee module, microcontroller and GPRS module. The data concentrator relays the data to remote server by GPRS, which are deposited in real time into the database.The middle layer is responsible for the management of sensor network.Application layer accesses the database through the middle layer,obtaining related monitoring information and reporting the status of air quality.

air pollution monitoring; wireless sensor network; ZigBee; GPRS; concentrator

2014-04-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61104215)；教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助項(xiàng)目.

梅志堅(jiān)(1987-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：mzj5062@163.com

馬婭婕(1974-)，女，武漢科技大學(xué)教授.E-mail：mayajie@wust.edu.cn

TP277；X84

A

1674-3644(2015)01-0063-04