李錦龍，李曉根，于運(yùn)淥，鄧小寶

（北方工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)場總線技術(shù)及自動化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100144）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在工作區(qū)域內(nèi)的大量傳感器監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。 ZigBee 技術(shù)[2]具有低功耗、高度擴(kuò)充性、自組織網(wǎng)絡(luò)功能、網(wǎng)絡(luò)自愈功能[3]，可嵌入各種設(shè)備中；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)便于擴(kuò)展，無需布線，非常適合應(yīng)用于環(huán)境中的多點(diǎn)監(jiān)測[4]。 現(xiàn)階段遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用，科研方面對此也有較高要求。

目前，高等院校相關(guān)專業(yè)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)多為單一性實(shí)驗(yàn)，只針對于某一方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，造成學(xué)生缺乏系統(tǒng)綜合試驗(yàn)的思路和能力。 在此，綜合運(yùn)用嵌入式、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和4G 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種可用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以STM32 芯片為MCU（microcontroller unit），建立了基于ZigBee 技術(shù)的Mesh 網(wǎng)[5]，實(shí)現(xiàn)了各監(jiān)測點(diǎn)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)采集[6]，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過4G 傳輸方式將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到云平臺，空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件通過Internet 讀取云平臺的數(shù)據(jù)。 通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可對無線傳感網(wǎng)絡(luò)加深理解，同時(shí)可提高學(xué)生的綜合試驗(yàn)及創(chuàng)新能力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由空氣質(zhì)量探測器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器[7]和空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件等三部分組成。 空氣質(zhì)量探測器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器部分由ZigBee 協(xié)調(diào)器和4G 通訊模塊組成， 負(fù)責(zé)將位于各監(jiān)測點(diǎn)的空氣質(zhì)量探測器采集到的數(shù)據(jù)通過4G 通訊方式發(fā)送至云平臺；空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件通過Internet 訪問云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，完成數(shù)據(jù)的解析，將處理后的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測界面上，同時(shí)存儲在SQL Server 數(shù)據(jù)庫中， 并顯示PM2.5 及PM10 數(shù)據(jù)曲線及報(bào)警數(shù)據(jù)曲線[8]。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 System overall structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 空氣質(zhì)量探測器

MCU 采用STM32F103[9]，支持多種調(diào)試模式，豐富的資源滿足空氣質(zhì)量探測器的需要。 顯示部分選用尺寸小、分辨率高的龍丘24.4 mm（0.96 英寸）OLED 顯示屏。 ZigBee 通信模塊使用Digi 公司的XBee 和XBee PRO 模塊。該模塊按照固件類型分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端，通過對模塊燒寫不同的固件可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。 其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建無線Mesh 網(wǎng)， 路由器和終端上電后自動連接到該網(wǎng)絡(luò)。XBee 模塊可以自組網(wǎng)，方便擴(kuò)容；XBee PRO 模塊的使用方法與XBee 模塊相同， 但傳輸距離可達(dá)1.5 km。 ZigBee 通信模塊的原理如圖2 所示。

圖2 ZigBee 通信模塊原理Fig.2 Schematic of ZigBee communication module

PM2.5 和PM10 傳感器使用SDS011，能夠測得空氣中0.3～10 μg 大小的懸浮顆粒物濃度。 該傳感器采用激光散射原理，當(dāng)激光照射到通過檢測位置的顆粒物時(shí)，會產(chǎn)生微弱的光散射，通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)及換算公式可以得到不同粒徑的實(shí)時(shí)顆粒物濃度數(shù)據(jù)。 空氣質(zhì)量探測器硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 空氣質(zhì)量探測器硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Air quality detector hardware structure

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件部分

ZigBee 協(xié)調(diào)器組建無線Mesh 網(wǎng)[10]，在各個(gè)空氣質(zhì)量探測器所包含的ZigBee 路由器模塊加入到該網(wǎng)絡(luò)后，可查詢各監(jiān)測點(diǎn)采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)[11]，集中處理后通過RS232 串口傳輸給4G 通訊模塊。4G 通訊模塊采用映翰通公司的IR900 模塊，該模塊所提供的4G 無線網(wǎng)絡(luò)和多種寬帶服務(wù)， 以及較完善的互聯(lián)網(wǎng)接入等功能滿足網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器部分的需要。 4G 通訊模塊從ZigBee 協(xié)調(diào)器獲得空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過4G 通訊方式將該數(shù)據(jù)傳輸至云平臺。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 空氣質(zhì)量探測器下位機(jī)軟件

空氣質(zhì)量探測器下位機(jī)軟件使用C 語言進(jìn)行編程。 系統(tǒng)工作原理如下：

空氣質(zhì)量探測器周期性采集PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)，并顯示在OLED 顯示屏上。 判斷PM2.5 和PM10的值是否超過報(bào)警值， 超過報(bào)警值則進(jìn)行聲光報(bào)警。空氣質(zhì)量探測器等待接收來自ZigBee 協(xié)調(diào)器的查詢命令數(shù)據(jù)幀[12]，對該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)無誤后，向ZigBee 協(xié)調(diào)器發(fā)送監(jiān)測到的PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)。空氣質(zhì)量探測器下位機(jī)軟件主流程如圖4 所示。

圖4 空氣質(zhì)量探測器下位機(jī)軟件主流程Fig.4 Air quality detector lower machine software main flow chart

3.2 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件

各監(jiān)測點(diǎn)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)通過4G 通訊模塊上傳至云平臺， 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件通過Internet獲得云平臺上各監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)，并顯示在監(jiān)測界面的相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，還可完成PM2.5 和PM10 報(bào)警值的設(shè)定。PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值時(shí)顯示報(bào)警時(shí)間及報(bào)警點(diǎn)。 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件功能結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件功能結(jié)構(gòu)Fig.5 Functional structure diagram of air quality remote monitoring software

空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件主要分為5 個(gè)模塊：①管理員登錄及通訊設(shè)置模塊主要完成管理員注冊、登錄和通信設(shè)置；②數(shù)據(jù)查詢及曲線顯示模塊主要負(fù)責(zé)啟動PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)的查詢， 以及歷史曲線和報(bào)警曲線的顯示；③空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示模塊主要完成將多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測界面上[13]；④報(bào)警值設(shè)定模塊可顯示和設(shè)置PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)的報(bào)警值； ⑤網(wǎng)絡(luò)通訊模塊主要顯示當(dāng)前建立網(wǎng)絡(luò)連接的IP 地址以及端口號信息。 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件主界面如圖6 所示。 數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)室實(shí)際采集數(shù)據(jù)，有些采集點(diǎn)位于無人走動的安靜區(qū)域，有些位于正常工作區(qū)域，個(gè)別采集點(diǎn)附近人為“制造”了一定粉塵。

圖6 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件主界面Fig.6 Main interface of air quality remote monitoring software

在SQL Server 數(shù)據(jù)庫中建立對應(yīng)的管理員信息數(shù)據(jù)以及每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)。利用管理員數(shù)據(jù)可以保證使用監(jiān)測軟件的安全性，只有通過管理員驗(yàn)證的人員才能使用該監(jiān)測軟件。各監(jiān)測點(diǎn)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過4G 模塊發(fā)送到云平臺， 空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件通過Internet 讀取云平臺上的數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過存儲的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)歷史曲線及報(bào)警曲線功能，便于更好地分析數(shù)據(jù)。 各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)表包含PM2.5 報(bào)警值、PM2.5 實(shí)時(shí)值、PM10 報(bào)警值、PM10 實(shí)時(shí)值及監(jiān)測時(shí)間數(shù)據(jù)，2 號監(jiān)測點(diǎn)的部分空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring point air quality data

4 結(jié)語

所開發(fā)的基于ZigBee 和4G 的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)使用ZigBee 技術(shù)組建無線Mesh 網(wǎng)， 將多個(gè)空氣質(zhì)量探測器采集到的PM2.5 和PM10 數(shù)據(jù)通過4G通訊的方式傳輸?shù)皆破脚_上，空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件通過Internet 讀取云平臺上的數(shù)據(jù)。 該系統(tǒng)具有成本低、無需布線、監(jiān)測靈活等優(yōu)點(diǎn)；從底層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測軟件顯示分析，構(gòu)成了整套遠(yuǎn)程監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；可使學(xué)生對遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)， 既能幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解嵌入式、無線傳感網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，又可增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)開發(fā)能力和綜合創(chuàng)新能力。