張高敏 王飛飛 周志青

摘 要： 合理規(guī)劃城鎮(zhèn)道路，減少汽車尾氣污染成為城市規(guī)劃建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。為了定量統(tǒng)計(jì)汽車尾氣對(duì)城市空氣污染程度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市道路周邊空氣質(zhì)量變化情況，提出一種基于WiFi城市道路空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過在道路沿線設(shè)置多個(gè)無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集空氣污染物數(shù)據(jù)，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心服務(wù)器，為城鎮(zhèn)道路規(guī)劃決策的合理性提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空氣污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠，可較好地應(yīng)用于城市道路空氣污染物的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞： 定量統(tǒng)計(jì)； 空氣質(zhì)量； 道路規(guī)劃； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）08?0076?04

Design of WiFi?based real?time monitoring system for air quality

ZHANG Gaomin， WANG Feifei， ZHOU Zhiqing

（College of Computer Science and Technology， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： Planning the roads reasonably and reducing pollution from car exhaust have become an important part of the urban planning and construction. In order to conduct quantitative statistics for the level of air pollution from motor exhaust and real?time monitoring for the change of the air quality around city roads， a WiFi?based real?time monitoring system for air pollution around city roads is put forward. A number of wireless monitoring nodes are set up to collect air pollutant data along the roads， and transmit the data to central server， which provide a theoretical basis for decision?making of urban road planning. The experimental results show that the air pollutant monitoring result is stable and reliable， and can be better used to detect air pollutants around urban roads.

Keyword： quantitative statistics； air quality； road planning； data acquisition

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化改造規(guī)模的加大，城鎮(zhèn)市區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)上漲，不可避免地造成交通排放廢氣量的增加，連同生活和工業(yè)污染，使環(huán)境空氣質(zhì)量不斷下降[1]。這些問題如果不能引起足夠重視，就可能導(dǎo)致空氣質(zhì)量的進(jìn)一步惡化，直接影響我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]，2015年1月1日實(shí)施的新《環(huán)境保護(hù)法》也明確要求國家建立、健全環(huán)境監(jiān)測(cè)制度。

機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)城市空氣質(zhì)量的影響逐漸引起決策者的重視。根據(jù)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求，他們?cè)趶?qiáng)化城市環(huán)境管理、科學(xué)制定環(huán)保法規(guī)和城市整體規(guī)劃，提高政府對(duì)大氣污染事故的應(yīng)急處理能力等方面都制定了相應(yīng)法規(guī)。從加強(qiáng)公眾監(jiān)督，提高環(huán)保意識(shí)，推動(dòng)環(huán)保科研等方面的考慮，還需要環(huán)保監(jiān)測(cè)部門提供大量準(zhǔn)確可靠和連續(xù)及時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)依據(jù)。目前，各個(gè)大中城市都按照國家要求在市區(qū)內(nèi)多個(gè)區(qū)域建立空氣監(jiān)測(cè)站，但受限于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)資金投入，城市空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)整體布局還存在眾多不足之處[3]。許多城市在環(huán)境空氣質(zhì)量必測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)上，還存在人工采樣、送樣、實(shí)驗(yàn)室分析的監(jiān)測(cè)方法[4]，不僅費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，且樣品捕獲率低、分析時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)上報(bào)慢和信息量少，其監(jiān)測(cè)結(jié)果不能很好地反映出城市環(huán)境空氣污染在空間和時(shí)間上的變化現(xiàn)狀和規(guī)律，對(duì)城市環(huán)境空氣中主要污染物的擴(kuò)散趨勢(shì)及影響不能做出連續(xù)的判斷，從而影響了城市環(huán)境管理水平的提高。特別是隨著各種環(huán)境污染源的不斷增加和污染事故的不斷發(fā)生，有些城市環(huán)境空氣污染在某些方面惡化趨勢(shì)已初露端倪。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

為了降低系統(tǒng)成本，提高其通用性和擴(kuò)展性，城市道路空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用樹形無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成一個(gè)無線傳感網(wǎng)。樹的每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)數(shù)據(jù)采集終端，通過無線網(wǎng)絡(luò)逐級(jí)匯聚到匯聚路由節(jié)點(diǎn)，最后把匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器分析存儲(chǔ)[5]。監(jiān)測(cè)的空氣質(zhì)量參數(shù)主要有溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等，通過抽氣風(fēng)機(jī)與對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)的傳感器、排氣口等組成采樣系統(tǒng)，使終端節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集和無線傳輸功能，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1） 傳感采集節(jié)點(diǎn)包含多個(gè)空氣質(zhì)量污染物定量檢測(cè)傳感器，對(duì)其覆蓋區(qū)域內(nèi)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并把這些數(shù)據(jù)通過I/O口發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過編碼協(xié)議后通過串口轉(zhuǎn)WiFi無線通信模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)。

（2） 中繼節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)備，把其配置為STA+AP模式，把接收到下級(jí)串口轉(zhuǎn)WiFi無線通信模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)同樣配置為STA+AP模式。

（3） 匯聚節(jié)點(diǎn)之后接路由器，使數(shù)據(jù)處理服務(wù)器能夠通過TCP/IP協(xié)議解析出傳感采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)按協(xié)議解碼，得到實(shí)時(shí)定量的空氣污染物指數(shù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)時(shí)分析、報(bào)告預(yù)警和遠(yuǎn)程控制，供顯示終端實(shí)時(shí)查看當(dāng)前數(shù)據(jù)或以往數(shù)據(jù)。

（4） 控制中心可以通過設(shè)置數(shù)據(jù)處理服務(wù)器與Internet網(wǎng)絡(luò)，使外部網(wǎng)絡(luò)也能夠訪問到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器采集硬件設(shè)計(jì)

傳感器采集節(jié)點(diǎn)是空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，該節(jié)點(diǎn)使用高靈敏度電化學(xué)傳感器，包含溫濕度傳感器，集成的CO，NO2，SO2的傳感器模塊，PM2.5和PM10傳感器模塊等。溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度模塊，工作電壓為3.3～5 V，數(shù)字量輸出，可以直接連到單片機(jī)的一個(gè)I/O口上；MQ?7一氧化碳傳感器模塊模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高電壓越高，通過A/D轉(zhuǎn)換器后送給單片機(jī)；SO2傳感器采用高性能的2SH12半導(dǎo)體傳感器，該傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)中SO2氣體的檢測(cè)，對(duì)SO2有很好的選擇性；粉塵顆粒檢測(cè)選擇GP2Y1010AU0F型號(hào)的傳感器，2 400 b/s的波特率串口輸出。組成空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理發(fā)送單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.2 單片機(jī)與WiFi通信設(shè)計(jì)

C8051F340使用Silicon Labs的專利CIP?51微控制器內(nèi)核，與MCS?51TM指令集完全兼容。CIP?51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、2個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工UART、1個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、多達(dá)4 352 B的內(nèi)部RAM、128 B特殊功能寄存器（SFR）地址空間及多達(dá)40個(gè)I/O引腳。

數(shù)據(jù)發(fā)送采用小尺寸低功耗USR?WIFI232?T模塊，支持IEEE 802.11 b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，無線網(wǎng)絡(luò)類型可配置為STA/AP/STA+AP，可以采用WEP/WPA?PSK/WPA2?PSK方式進(jìn)行加密。該模塊硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器，提供一種將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信方法。幫助用戶實(shí)現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)報(bào)的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)，用戶不必關(guān)心具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，在模塊內(nèi)部完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。串口一側(cè)的數(shù)據(jù)透明傳輸，WiFi一側(cè)采用TCP/IP數(shù)據(jù)包，通過簡(jiǎn)單設(shè)置即可指定工作細(xì)節(jié)。模塊的網(wǎng)絡(luò)配置可以通過模塊內(nèi)置網(wǎng)頁進(jìn)行，也可以通過串口使用AT指令進(jìn)行，一次設(shè)置可永久保存。C8051F340和USR?WIFI232?T的硬件電路接口如圖3所示。

2.1.3 中繼節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在整個(gè)空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，中繼節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)起承上啟下的作用。中繼節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)可以采用工業(yè)路由器配置為STA+AP模式來收集各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最后通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)入到監(jiān)控中心的服務(wù)器。在監(jiān)控系統(tǒng)中主要采用有人的USR?WIFI232?T型的串口轉(zhuǎn)WiFi模塊和華為榮耀路由分別作為采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送方和中繼匯聚節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)接收方。

圖3 單片機(jī)和WiFi硬件電路圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信配置

傳感采集節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，把自身作為一個(gè)STA節(jié)點(diǎn)，搜索設(shè)定好的AP匯聚節(jié)點(diǎn)并接入。WiFi無線網(wǎng)絡(luò)是本系統(tǒng)的核心部分，為防止網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)問題，特意在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置心跳包。一方面服務(wù)器端通過定時(shí)廣播地址查詢網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)傳感采集節(jié)點(diǎn)，來檢測(cè)服務(wù)器控制端、匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感采集節(jié)點(diǎn)之間的雙向通行狀態(tài)；另一方面通過傳感采集節(jié)點(diǎn)自身設(shè)置的定時(shí)計(jì)數(shù)器來檢測(cè)自身與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)連接情況。通過兩方面考慮來保證數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目煽啃?。傳感采集?jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖4所示。

2.2.2 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)兩部分[6]，在接收WiFi網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)用性和擴(kuò)展性，軟件設(shè)計(jì)選用基于Socket通信協(xié)議和SQL數(shù)據(jù)庫[7]。 監(jiān)控管理人員通過監(jiān)控終端管理軟件，可以實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)，設(shè)定終端自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)的頻率，對(duì)空氣檢測(cè)指數(shù)生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表等，便于工作人員操作分析和管理。

軟件還具有報(bào)警監(jiān)控功能，可以自主對(duì)報(bào)警參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，方便用戶根據(jù)實(shí)際需要靈活設(shè)定每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的任何一個(gè)監(jiān)控指標(biāo)的報(bào)警參數(shù)。系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)監(jiān)測(cè)到的各種數(shù)據(jù)的上報(bào)和自動(dòng)提示功能，并將各種報(bào)警項(xiàng)目自動(dòng)寫入系統(tǒng)日志，在高度污染情況下界面上的報(bào)警區(qū)域由一般的綠色變?yōu)閳?bào)警的紅色或黃色，為之后采取相應(yīng)治理措施提供依據(jù)?？諝赓|(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇平頂山市建設(shè)路和凌云路交叉口，在交叉口的四個(gè)交通信號(hào)燈燈柱上距離地面50 cm處分別設(shè)置一個(gè)傳感采集節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有固定的ID號(hào)來區(qū)分不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

將各個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等數(shù)據(jù)通過WiFi網(wǎng)傳入數(shù)據(jù)中心進(jìn)行匯總分析并處理，處理結(jié)果如表1所示。

本次實(shí)驗(yàn)采用GY3000型便攜式煙氣分析儀作為參考值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間為16：00，受風(fēng)向、風(fēng)速的影響，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)略有差異，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，基本符合監(jiān)測(cè)要求。

4 結(jié) 語

通過大量測(cè)試工作，本文的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備濃度監(jiān)測(cè)與報(bào)警功能，既可以用于監(jiān)測(cè)空氣中溫濕度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)一步擴(kuò)展傳感器類型以用于其他數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，具有很好的擴(kuò)展性。同時(shí)，本系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)單、安裝便捷、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用推廣前景。當(dāng)然系統(tǒng)中還存在不足之處，有待進(jìn)一步完善。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性依賴于傳感器性能，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)采集誤差較大時(shí)，監(jiān)測(cè)控制終端將無法正常顯示，下一步將對(duì)傳感器數(shù)據(jù)誤報(bào)通過恒虛警算法從底層保證數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

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