耿淑琴 汪金輝 侯立剛 袁 穎 彭曉宏

北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124

基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)構(gòu)想

耿淑琴 汪金輝 侯立剛 袁 穎 彭曉宏

北京工業(yè)大學(xué) 北京 100124

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。建立基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)，采用空氣質(zhì)量污染的主要成分如CO，PM2.5，溫度，濕度，NO2，SO2，O3，VCO和煙霧等傳感器，并進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)低功耗設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)理、統(tǒng)一接口和協(xié)議配置，建立方便可裁剪的智能傳感器模塊，將嵌入式系統(tǒng)與當(dāng)前空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)緊密結(jié)合，探討新的教育模式。

嵌入式系統(tǒng)；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)；智能傳感器模塊；低功耗

隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的不斷加劇，顆粒物“隱形殺手”群體逐漸變得龐大，成分變得更加復(fù)雜，“殺傷力”也逐漸增強(qiáng)。 不論是灰蒙蒙的天空，還是不時(shí)出現(xiàn)的霧霾天氣，這些都是大量極細(xì)微的干塵粒等浮游在空中，使能見(jiàn)度降低的空氣普遍混濁現(xiàn)象，本質(zhì)上正是無(wú)處不在的顆粒污染物造成的[1]。如何及時(shí)監(jiān)測(cè)霧霾天氣的出現(xiàn)，便于采取防范和治理措施，減輕對(duì)人們生活的影響已經(jīng)成為全社會(huì)十分關(guān)注的問(wèn)題。霧霾中的一些化合物在強(qiáng)烈的陽(yáng)光紫外線(xiàn)照射下，會(huì)產(chǎn)生一種有刺激性的有機(jī)化合物，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含劇毒的光化學(xué)煙霧，嚴(yán)重威脅人類(lèi)生命。空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的前端設(shè)備大多是嵌入式設(shè)備，因此這些設(shè)備的研制和開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義。

經(jīng)研究表明，霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物組成，前兩者為氣態(tài)污染物，最后一項(xiàng)顆粒物是加重霧霾天氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。它們與霧氣相結(jié)合，使天空瞬間變得灰蒙蒙。北京監(jiān)測(cè)的是顆粒物PM2.5，也就是直徑小于2.5微米的污染物顆粒。這種顆粒物本身既是一種污染物，又是重金屬、多環(huán)芳烴等有毒物質(zhì)的載體。

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，西方發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的研究人員就對(duì)如何設(shè)計(jì)出針對(duì)性強(qiáng)、代表性好、目的性強(qiáng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量研究[2-5]。監(jiān)測(cè)范圍從國(guó)家級(jí)到城市區(qū)域各種范圍尺度的網(wǎng)絡(luò)，研究對(duì)象包括了常規(guī)監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)測(cè)、工業(yè)區(qū)監(jiān)測(cè)等一系列不同目的的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

美國(guó)進(jìn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面的研究已有很長(zhǎng)時(shí)間，規(guī)則和技術(shù)相對(duì)完備和成熟，我國(guó)的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)起步較晚。進(jìn)口其他國(guó)家的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，價(jià)格非常昂貴，達(dá)上百萬(wàn)元，研制和開(kāi)發(fā)適合我國(guó)自己的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備刻不容緩。將空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與嵌入式實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，培養(yǎng)大學(xué)生研制市場(chǎng)急需的設(shè)備，不僅提高學(xué)生的實(shí)踐能力，還為培養(yǎng)卓越工程師[6]探索新的教育模式。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是感應(yīng)、通信和計(jì)算三大技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。近年來(lái)IC集成度的提高、傳感器的微型化和集成化、通信技術(shù)的進(jìn)步以及電池技術(shù)的改進(jìn)，使微小的傳感裝置可同時(shí)具有感應(yīng)、無(wú)線(xiàn)通信和處理信息的能力。此類(lèi)裝置不僅能夠感應(yīng)及偵測(cè)到空氣質(zhì)量的變化，還可處理收集數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)。

借助于內(nèi)置多種多樣的傳感器，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以測(cè)量其周?chē)h(huán)境中的溫度，濕度，光強(qiáng)，噪聲，聲壓，煙霧，粉塵，CO2，VCO(有機(jī)物揮發(fā)氣體)，CO，SO2，地震波，土壤成分及移動(dòng)物體的大小和運(yùn)動(dòng)速度等諸多我們感興趣的化學(xué)量和物理量。在通信方式上，雖然可以采用有線(xiàn)、射頻和紅外線(xiàn)等多種形式，但一般認(rèn)為短距離的無(wú)線(xiàn)低功率通信技術(shù)最適合傳感網(wǎng)絡(luò)使用，這樣的網(wǎng)絡(luò)一般稱(chēng)作無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。

1 基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示采用兩級(jí)節(jié)點(diǎn)，由上位機(jī)或協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，協(xié)調(diào)器即教師機(jī)具有3G通信的功能，安裝在嵌入式實(shí)驗(yàn)室教師機(jī)上，能接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信號(hào)，并能向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試的設(shè)備就是終端節(jié)點(diǎn)，若實(shí)驗(yàn)成功可以將學(xué)生所在位置的環(huán)境信息發(fā)送到教師機(jī)主設(shè)備上。

本實(shí)驗(yàn)所實(shí)現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，因而具有一定的信息處理能力，可以根據(jù)指定的配置參數(shù)進(jìn)行工作。它向外發(fā)送的信息也比較豐富，包含節(jié)點(diǎn)學(xué)生名稱(chēng)和各傳感器的輸出數(shù)值等。

本實(shí)驗(yàn)的意義在于，它通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)的方式進(jìn)行通信和組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了空氣環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和通信，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)理論和實(shí)際應(yīng)用的緊密結(jié)合。

2 基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

2.1 低功耗

基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)嵌入式實(shí)驗(yàn)的終端節(jié)點(diǎn)一般由電池供電。而此類(lèi)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)在其使用過(guò)程中，不能經(jīng)常給電池充電或更換電池，一旦電量用完，節(jié)點(diǎn)也就失去了作用。因此采用系統(tǒng)級(jí)低功耗的設(shè)計(jì)方法降低軟件、硬件每個(gè)模塊不同狀態(tài)的功耗，從而降低終端節(jié)點(diǎn)的總功耗。本項(xiàng)目終端節(jié)點(diǎn)可以采用電池或太陽(yáng)能供電方式，長(zhǎng)久且方便地解決終端節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題。

圖1 基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)架構(gòu)

2.2 與物理世界緊密交互

基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)終端設(shè)備與物理世界緊密耦合，在無(wú)人值守的情況下，終端設(shè)備應(yīng)該具有主動(dòng)感知外界環(huán)境，對(duì)環(huán)境的變化做出實(shí)時(shí)或定時(shí)反應(yīng)，并根據(jù)物理環(huán)境的改變決定自身系統(tǒng)狀態(tài)的能力。

2.3 網(wǎng)絡(luò)自組織、自維護(hù)

基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)決定了其必須采用自組織的工作方式選擇就近的上位教師機(jī)。終端傳感器節(jié)點(diǎn)常常采用隨機(jī)部署的方式，節(jié)點(diǎn)的位置和相互鄰居關(guān)系不能預(yù)先確定，而且節(jié)點(diǎn)可能由于電源耗盡或其他原因而失效。

因此基于空氣監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)必須能夠通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)，自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù)，以適應(yīng)不斷變化的自身?xiàng)l件和外部環(huán)境。

2.4 節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、分布密集

為了對(duì)一個(gè)嵌入式實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，往往會(huì)有大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的較密集的分布，可以使在同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存在大量的冗余節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的冗余性可以使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能，由此降低對(duì)單一傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性要求。

2.5 基于空氣監(jiān)測(cè)嵌入式實(shí)驗(yàn)使用的靈活性

由于不同時(shí)期實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境不同，空氣中構(gòu)成成分差別較大，例如在冬天或夏天，傳感器根據(jù)需要可以靈活地裁剪使用。另外，可以模擬不同的應(yīng)用場(chǎng)所，有的需要大范圍測(cè)試，需要通信的距離長(zhǎng)；有的需要很短的距離即可，因此，根據(jù)需要可以選擇不同的通信模塊如433 MHz，2.4 GHz等進(jìn)行通信。監(jiān)測(cè)的有關(guān)項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括了CO，PM2.5，溫度，濕度，NO2，SO2，O3，VCO等多種不同指標(biāo)。

3 基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)嵌入式實(shí)驗(yàn)的終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)

基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。主要由傳感器、電源、控制器和通信模塊構(gòu)成。傳感器由PM2.5，CO，NO2，SO2，O3，VOC，煙霧傳感器和溫濕度傳感器等構(gòu)成，傳感器類(lèi)型可以根據(jù)需要進(jìn)行可裁剪使用，留有相應(yīng)的傳感器接口，根據(jù)不同的測(cè)量環(huán)境空氣質(zhì)量按需采用。射頻模塊由433 MHz，2.4 GHz等模塊構(gòu)成，根據(jù)特定的應(yīng)用需求可以進(jìn)行靈活使用。

圖2 基于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式試驗(yàn)終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

為保證空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的低功耗，采用系統(tǒng)級(jí)低功耗和數(shù)據(jù)壓縮的方法，從軟硬件兩方面，認(rèn)真設(shè)計(jì)、研究和選擇每個(gè)模塊的功耗，進(jìn)而研究系統(tǒng)的低功耗。并通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮等方法降低系統(tǒng)功耗。延長(zhǎng)終端節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的前端設(shè)備大多是嵌入式設(shè)備，因此這些設(shè)備的研制和開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)驗(yàn)具有現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義?；诳諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，既能滿(mǎn)足嵌入式課程的需求，又能將理論與當(dāng)前急需的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)緊密聯(lián)系，使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。提高大學(xué)生的實(shí)踐能力，為培養(yǎng)卓越工程師探索新的教育模式。

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[2] Kenneth L. A review of national monitoring networks in North America[J]. Atmospheric Environment, 2000,34(12/13/14): 1861-l884.

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Air Quality Monitoring Concept for Embedded System Experiment

Geng Shuqin, Wang Jinhui, Hou Ligang, Yuan Ying, Peng Xiaohong
Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China

Air quality monitoring is an important part of the current environmental protection. The embedded system experiment based on air quality monitoring system， Air quality polluted components such as temperature， humidity， CO， PM2.5， NO2， SO2， O3， VCO， smoke and so on， these sensors are used in this system. System level low power design， and signal processing， interface， and protocol configuration are completed. Create a scalable smart sensor module. It is explored a new mode of education embedded systems with the current air quality monitoring closely.

embedded system; air quality monitoring; smart sensor module; low power consumption

2014-08-08

耿淑琴，博士，高級(jí)講師。汪金輝，博士，講師。侯立剛，博士，講師。袁穎，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。