徐華宇

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中含有的微顆粒物PM2.5和PM10含量，本文利用C/S框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了智慧校園分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要核心為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)中心;空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站作為客戶端利用嵌入式處理器LPC2129作為控制核心，利用傳感器SDS011對(duì)空氣中懸浮顆粒PM2.5和PM10的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集好的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊SIM900A建立與監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。服務(wù)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析和顯示儲(chǔ)存，并生成時(shí)、日、月、年的報(bào)表。同時(shí)還設(shè)立了對(duì)外API接口，支持智能手機(jī)APP的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，為市民制定出行計(jì)劃提供方便。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè);無(wú)線通信;空氣質(zhì)量;智慧校園

中圖分類號(hào)：TQ015? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）09-0102-04

Research on Distributed Data Acquisition System of Smart Campus

Xu Huayu

（Shaanxi Institute of Technology， Xi an 710300， China）

Abstract：In order to realize remote monitoring of air quality and real-time monitoring of PM2.5 and PM10 content of micro-particulate matter in the air， a distributed data acquisition system for smart campus is designed based on C/S framework. The main core of the system is the air quality monitoring station and monitoring center; the air quality monitoring station as the client， using the embedded processor LPC2129 as the control core， using the sensor SDS011 to collect the concentration data of PM2.5 and PM10 in the air， and the collected data is connected to the monitoring center server TCP/IP network through the GPRS module SIM900A to upload the data in real time. The server processes the received data， performs statistical analysis， displays and stores， and generates hour， day， month， and year reports. At the same time， an external API interface is set up to support the development of smart phone APP， realize data sharing， and provide convenience for citizens to make travel plans.

Key words：remote centralized monitoring; wireless communication; air quality; smart campus

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)資源的利用給人們的生活帶來(lái)了便利。但工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，廢氣的排放造成了嚴(yán)重的空氣污染，有些城市甚至出現(xiàn)了霧霾天氣的現(xiàn)象，對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生了極大的影響。為了增強(qiáng)對(duì)排污企業(yè)的管理，更好的監(jiān)控城市懸浮顆粒物濃度，給政府環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供數(shù)據(jù)支持。本文利用無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了智慧校園分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)特點(diǎn)在于，利用智慧校園的模型，通過(guò)部署在城市各個(gè)角落的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站對(duì)細(xì)顆粒濃度數(shù)據(jù)收集并記錄，完成對(duì)空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。同時(shí)給環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供數(shù)據(jù)接口，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新及資源共享。并能實(shí)時(shí)發(fā)布空氣質(zhì)量變化情況，給居民出行提供便利。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

形成霧霾天氣的主要原因是空氣中PM2.5和PM10的細(xì)顆粒物質(zhì)含量過(guò)多，中國(guó)環(huán)境環(huán)保部也針對(duì)每立方空氣中細(xì)顆粒物質(zhì)的含量定義了相應(yīng)的等級(jí)。故本系統(tǒng)主要針對(duì)空氣中PM2.5及PM10含量做出研究。該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)中心。通過(guò)城市規(guī)劃，將空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站設(shè)立在城市需要進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的角落。采用C/S架構(gòu)模型與監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器連接，完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)建如圖1所示。

1.1 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是將設(shè)立的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站作為客戶端，利用里面的無(wú)線模塊訪問(wèn)GRPS網(wǎng)絡(luò)，再接入公網(wǎng)，通過(guò)訪問(wèn)監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與之建立連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。服務(wù)器接收到上傳數(shù)據(jù)以后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，使之實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)視器中，并且將處理好的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)SQL2008中。同時(shí)，為了保障數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)的安全性，在設(shè)計(jì)的時(shí)候增加了防火墻進(jìn)行物理隔離，避免服務(wù)器受到惡意入侵造成數(shù)據(jù)丟失。

1.2 空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)共享過(guò)程

在監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器中設(shè)立了對(duì)外接口API，環(huán)境監(jiān)測(cè)部門的服務(wù)器可以通過(guò)與接口的連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，起到一定的監(jiān)測(cè)作用。并根據(jù)數(shù)據(jù)判斷空氣污染情況，針對(duì)性的采取相應(yīng)措施，達(dá)到凈化空氣的作用。同時(shí)這個(gè)接口還支持智能手機(jī)的APP開發(fā)，居民能夠通過(guò)智能手機(jī)下載的APP實(shí)時(shí)獲得所在地的空氣質(zhì)量信息，從而合理安排出行計(jì)劃。

2 空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站硬件設(shè)施

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站硬件條件直接決定了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，為了達(dá)到最好的效果，本系統(tǒng)采用的硬件設(shè)施有嵌入式控制器LPC2129、細(xì)顆粒傳感器SDS011、調(diào)理電路、GRPS無(wú)線通信模塊SIM900A、固態(tài)存儲(chǔ)器、電源管理電源、LED顯示屏、鍵盤及指示燈。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2即可看出，空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是太陽(yáng)能發(fā)電裝置，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。另外該系統(tǒng)還設(shè)置了蓄電池，除去設(shè)備所需電量之外，還能將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，避免資源的浪費(fèi)。在節(jié)點(diǎn)中還設(shè)立了電量監(jiān)測(cè)模塊，當(dāng)電量低于設(shè)置值，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，有效預(yù)防因?yàn)殡娏坎蛔銓?dǎo)致的數(shù)據(jù)流失。另外，為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，該系統(tǒng)還配有存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)。如果在數(shù)據(jù)上傳時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷問(wèn)題，數(shù)據(jù)會(huì)臨時(shí)保存在本地儲(chǔ)存器中，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后自動(dòng)上傳，避免因?yàn)閿嗑W(wǎng)造成數(shù)據(jù)流失。

2.1 細(xì)顆粒傳感器SDS011

細(xì)顆粒傳感器SDS011是空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，主要由測(cè)量腔體、激光源、受光元件、濾波放大及微控制器組成。利用激光散射原理，通過(guò)激光照射到檢測(cè)位置的顆粒物產(chǎn)生的光散射波形判斷顆粒物直徑，再根據(jù)不同波形的分類統(tǒng)計(jì)進(jìn)行一定的換算，就能得到不同粒徑的顆粒物在該時(shí)段的實(shí)時(shí)濃度。

細(xì)顆粒傳感器SDS011基本介紹;細(xì)顆粒傳感器SDS011能夠分辨的最小的顆粒直徑：0.3μm;量程：0～999.9μg/m3;供電電壓：5V;最大工作電流：100mA;休眠電流：2mA;場(chǎng)景變換時(shí)間小于10s;相對(duì)誤差小于10%;具有精度高，穩(wěn)定性和一致性較好的特點(diǎn)。能夠準(zhǔn)確測(cè)量PM2.5及PM10的濃度。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了減小系統(tǒng)功率的消耗，提前設(shè)置一小時(shí)的采集周期。通過(guò)細(xì)顆粒傳感器SDS01與嵌入式控制器LPC2129的串口連接，將感應(yīng)到的PM2.5及PM10濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性輸出。在數(shù)據(jù)采集完成以后，傳感器自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，達(dá)到減小系統(tǒng)功率小消耗的作用。

2.2 GRPS無(wú)線通信模塊SIM900A

GRPS無(wú)線通信模塊SIM900A是與監(jiān)控中心服務(wù)器連接的重要部分，處理器為ARM9216EJ-S;工作頻率為GMS/GPRS 850/900/1800/1900Hz。里面還設(shè)有TCP/IP協(xié)議棧，多IP接入也沒(méi)有問(wèn)題。降低語(yǔ)音、短消息、數(shù)據(jù)和傳真信息傳輸?shù)墓?。接口采用工業(yè)全功能UART標(biāo)準(zhǔn)，能夠直接與控制器LPC2129連接，利用AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收發(fā)。

為了確保數(shù)據(jù)的成功發(fā)送，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要先與監(jiān)控中心服務(wù)器的TCP/IP建立連接，具體方式是向SIM900A的串口發(fā)送指令“AT+CIPSTART”，接收到返回消息“CONNECT”則表示連接成功，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，待數(shù)據(jù)傳輸完畢后，需要發(fā)送指令“AT+CIPCLOSE”斷開連接，接收到返回消息“CLOSE OK”就表示已成功斷開連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 空氣監(jiān)測(cè)站軟件設(shè)計(jì)

空氣監(jiān)測(cè)站啟動(dòng)以后，需要先進(jìn)行系統(tǒng)初始化動(dòng)作。再通過(guò)上文介紹的與服務(wù)器建立連接的方式收發(fā)指令，與服務(wù)器成功建立連接以后，讀取傳感器SDS011串口輸出的數(shù)據(jù)，即可得到PM2.5和PM10的濃度值。完成操作以后測(cè)量蓄電池所剩電量，并將采集時(shí)間、監(jiān)測(cè)站編號(hào)和采集到的數(shù)據(jù)等信息打包上傳到監(jiān)控中心的服務(wù)器。同時(shí)將有效信息展示在本地LED屏上，即操作完成，進(jìn)入休眠狀態(tài)。待到設(shè)置好的n個(gè)小時(shí)以后，開始下一次循環(huán)。流程圖如圖4所示。

3.2 服務(wù)器管理軟件結(jié)構(gòu)

服務(wù)器管理軟件主要結(jié)構(gòu)分為功能子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)模塊和輸出模塊，是利用VC++6.0作為開發(fā)工具編寫。具有公網(wǎng)IP和端口號(hào)，且有專業(yè)光纖接入網(wǎng)絡(luò)，并且通過(guò)硬件防火墻對(duì)接入的IP進(jìn)行物理地址過(guò)濾。

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)包需要先經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到固定IP地址的硬件防火墻內(nèi)。防火墻對(duì)接收的數(shù)據(jù)包通過(guò)端口映射功能轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，完成與空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)站TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接過(guò)程。在成功建立連接以后，將收集到的PM2.5和PM10的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、校驗(yàn)、分析和分類等處理。同時(shí)計(jì)算出每小時(shí)、每日、每月、每年的平均值，并將計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)視器上，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)SQL 2008中。服務(wù)器管理軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

4 測(cè)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)空氣中含有的細(xì)顆粒物PM2.5及PM10的含量不同（24h均值），中國(guó)環(huán)境環(huán)保部門也劃分出不用的空氣污染等級(jí)，如表1所示。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性，本文選用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證。首先在選定區(qū)域的東南西北中各設(shè)置一個(gè)環(huán)境檢測(cè)站，將他們編號(hào)#1～#5，設(shè)置4h的采集周期。對(duì)24h內(nèi)收集的PM2.5和PM10濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2、表3所示。

從上面兩個(gè)表中的數(shù)據(jù)我們能夠得知， 在24h內(nèi)，監(jiān)測(cè)區(qū)域PM2.5與PM10的均值分別為80.7μg/m3、147μg/m3。通過(guò)與表1對(duì)比可知，該區(qū)域的空氣質(zhì)量為輕度污染。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可得知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集PM2.5和PM10的濃度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使之能夠穩(wěn)定傳輸且實(shí)時(shí)顯示，工作性能較為穩(wěn)定，能夠給中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供數(shù)據(jù)支持。并且該系統(tǒng)還能將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，便于執(zhí)法部門的取證，實(shí)用性較高。

5 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的分布式空氣質(zhì)量遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)采用了GPRS無(wú)線通信技術(shù)將細(xì)顆粒傳感器SDS傳感器采集到的PM2.5和PM10濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳，共享到監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器上。監(jiān)控中心的服務(wù)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯示及數(shù)據(jù)庫(kù)管理。并且，監(jiān)控中心的服務(wù)器還提供了對(duì)外API接口，支持智能手機(jī)APP的開發(fā)，不僅方便了執(zhí)法部門的調(diào)查取證，還便于居民實(shí)時(shí)掌握空氣質(zhì)量情況，合理安排出行計(jì)劃。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)某些區(qū)域空氣中PM2.5顆粒和PM10顆粒濃度集中監(jiān)控，加強(qiáng)對(duì)排污企業(yè)的有效管理。

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