基于无线传感器网络的空气质量检测系统

1、基于无线传感器网络的全气质量蓝测系统侯培国，雷巧玲(燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室，河北秦皇岛066004)摘要：为了随时了解城市空气质量状况，设计了一种基于无线传感器网络的空气质量监测系统。由无线传感器网络及GPRS网络组成的空气质量监测系统可以实现远程实时数据采集。大量的传感器节点部署在监测区域，负责采集各种空气信息，再经GPRS网络传送到与Internet网络相连的远端监控中心；工作人员通过对接收的数据进行分析,及时发布天气信息，为城市规划提供依据。系统移植能力强,换用不同的传感器，可以应用到其他监测领域。关键词：无线传感器网络；空气质量监测;GPRS中图分类号:TP216

2、文献标志码:A 文章编号:1000 - 0682(2009)03 - 0109 - 04Design of the air quality monitoring system based on WSNHOU Peiguo, LEI Qiaoling(Measurement Technology and IrutrunwrUaiion Key Lab of Hebei Province, Yanshan University,Heibei Qinhuangdao 066004,China)Abstract ： In order to enable us to keep abreast of ur

3、ban air quality situation，an air quality monito-ring systems based on the wireless sensor networks is designed. From wireless sensor networks and GPRSnetwork of air quality monitoring system can bring about long - distance real - time data collection from alarge number of sensor nodes deployed in th

4、e region to monitor for the acquisition of various air informa-tion ，via GPRS networks to deliver the information to the far - monitoring centre which connected the In-ternet ，the staff through the analysis of the data which were received and published timely weather infor-mation ，provide the basis

5、for urban planning. Passed the test of the system，the system is working well.And the system have a strong ability for transplant, changing different sensors，monitoring can be appliedto other areas.Key words: wireless sensor networks ； air quality monitoring ； GPRS o引言由于人们生活水平的提髙，全社会环保意识的提高,对环境信息的需求越

6、来越高。与传统的空气质量监测系统相比，使用传感器网络进行环境监测具有如下优点：传感器网络对被监测环境影响小；传感器网络采集数据量大、精度高；传感器节点还具有无线通信能力，可以使得节点协同监控。无线传感器网络非常适用于无人监守的远程监测，该文采用无线传感器网络来监测空气质量,在城市内选择一些监测点,放置传感器节点，并通过GPRS网络实时的传输数据,终端工作人员可以通过监控中心对监测系统进行管理和配置、发布监测任务或是收集回传数据。收稿日期=2008 - 07-10作者蔺介:侯培国（1968),男，教授,主要研究方向为智能控制理论及应用、智能仪器研究与设计。1监测系统的体系结构空气质量监测系统主要

7、由3部分组成:无线传感器网络、GPRS网络和监控中心。如图1所示。田1监测系统的体系结构大量的传感器节点分别放置在城市的交通区、居民区、工业区内,通过自组织的方式构成网络（即子站），各子站之间相互独立,互不通信，只有子站内部节点可以相互交换数据，子站内的传感器节点负责对数据的感知和采集,数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经多跳路由后到达汇聚节点（各子站网关）。汇聚节点与监控中心通过GPRS网络进行通信，监测中心的管理员通过对收集到的数据进行处理分析，做出判断或者决策。2系统硬件设计2.1传感器节点硬件设计无线传感器节点是网络的基本单元，节点设计的好坏

8、直接影响到整个网络的质量。无线传感器网络节点主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给基站或更靠近基站的节点。无线传感器节点一般由数据采集单元(传感器、A/D转换器）、数据处理单元（处理器和存储器）、数据传输单元(无线收发器）和电源管理单元（电池或电源），其结构如图2所示。图2传感器节点硬件结构(1) 数据采集单元主要负责采集监测区内的信息，并将其转换为数字信号。空气质量监测传感器如半导体空气质量传感器TGS2600/TGS260、灰尘传感器、一氧化碳传感器CO - BF、电化学二氧化硫传感器SO2 - A、二氧化氮电化学气体传感器NO2-Al

9、等。(2) 数据处理单元处理单元是整个节点的中心，其他模块都要通过处理器来联系，因此处理器性能的好坏决定了整个节点的性能。处理单元由处理器和存储器组成,存储和处理传感器采集的数据。该设计采用的是Atrael公闻的AVR系列单片机ATmegalL。AT-megal28L芯片是ATMEL公司开发的一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。它有128 kB的系统可编程Flash存储器,4 kB EEPROM，以及4 kB的片内SRAM,同时还可以扩展外部存储器；采用先进的RISC结构,大部分指令在一个时钟周期内完成21 ；有64个I/O引脚，都与通用单片机兼容；片内提供1个串行外围接口 SP1、1个两

10、线串行接口 TWl和2个通用同异步串行接口，用于与外部元件的通信；并提供8通道丨O位采样精度的A/D转换器,该器件同时支持16路差分电压输入组合。(3)数据传输单元负责与其他传感器节点进行通信，交换信息和收发采集数据。文中采用CC2420无线通信模块，CC2420是Chipcon A8公司推出的首款符合2. 4GHz,而且符合IEEE802.15. 4标准的射频收发器。它是第一款适用于ZigBee产品的RF器件,利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达MOkbps,可以实现多点对多点的快速组网。用ZigBee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低;Zigbee具有高通信效率、低

11、复杂度、低功耗、低速率、低成本、髙安全性以及全数宇化等诸多优点，这些优点使得Zigbee和无线传感器网络完美地结合在一起。目前,基于Zigbee技术的无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注。处理器模块与无线收发模块之间的连接非常简单,CC2420 使用 SFD、FIFO、FIFOP 和 CCA 四个引脚表示收发数据的状态，处理器通过SPI接口与CC2420交换数据,发送命令，它们之间的逻辑连接如图3所示。2.2网关节点的硬件设计网关节点的主要功能是处理并发送采集的数据。网关节点的处理能力、存储能力和通信能力比较强,它一方面通过CC2420与传感器网络相连接，另一方面通过GPRS通信模块

12、与Internet外部网络连接。实现两种协议直接的转换，发布监测中心的监测任务，把收集的数据发送到与Internet网络相连的监测中心。网关节点主要由射频收发模块、中央处理器、存储器、GPRS通信模块4部分组成，如图4所示。其中射频收发模块和中央处理器都和传感器节点使用的相同，GPRS模块实现数据的远程传输,采用西门子公司的MC55 GPRS模块，MC55无线模块Siemens公司生产的当今市场上尺寸最小的三频GPRS模块,完美地支持语音通信和短消息方式通信的功能，网络连接及无线上网，数据传递的功能。MC55 GPRS模块内嵌的TCP/IP协议，大大的缩小了设计的难度,同时也提高了微处理器处理

13、其他数据的能力;MC55与单片机的连接非常简单,标准的串口可直接与单片机的串口连接,如果不连接到PC机还不需要扩展接口； MC55支持标准的AT命令,其通信的实现可以调用相应的AT命令实现。MC55内嵌的TCP/IP协议能够很容易的与Internet网络相连14，实现了从网关到监控中心的通信。2.3 GPRS通信的实现分析。3. 1系统工作流程软件系统工作流程如图6所示。GPRS (General Packet Radio Service)即通用分组无线服务,是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据传输业务5。在GPRS网络中SGSN的主要作用是记录

14、移动终端的当前位置信息，并且在移动终端和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用。它可以和ISDN、LAN和PSPDN等多种不同的数据网络连接。GPRS网络用GGSN 接人 Imemet, GGSN 提供了 GPRS 网络和 In-ternet直接的无缝连接，可以达到数据连续传输的目的。GPRS数据传输原理图如图5所示。和有线拨号或专线方式、光纤传输模式、短消息和超短波无线数传电台等传输方式相比，采用GPRS进行分散实时的数据传输具有覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强、高速及传输费用低廉等明显优势。图6系统流程图3. 2实验及分析将一些C0、S02传感器节点放置在空气流

15、通良好的室外，对空气质量进行24 h监测, 监测结果如图7、图8所示。 监控中心模块由路由器、防火墙、控制台计箅机、监控管理程序以及数据库等软硬件组成。其主要任务是监控管理各监测点，定时收集各监测点的监测数据并进行处理，提供各种报表,绘制各种图形，实现报警功能,实时为管理人员提供汇总数据和CO 传感器选用 Membrapor 的 CO/CF - 1000 ；测量范围0 1 000 ppm。SO2传感器选用Membrap0r的S0/CF-100; 测量范围O 20 ppm。空气中CO和SO2增加的原因主要是汽车尾气的排放和大量化学燃料燃烧的不充分。由于上下班高峰汽车比较多, 再加上随着工厂排放污

16、染空气的增多，CO和SO2的浓度会呈现上升的趋势, 但是夜间随着污染气体的排放量的减少, 浓度呈现下降趋势。通过对空气质量的监测，可以为城市规划提供有利的依据。4结语3监控中心及实验无线监测巳广泛应用于医疗、农业、环境、军事、建筑、玩具、跟踪等多种领域f6。本文介绍了一种利用无线传感器网络及GPRS网络实现远程监测空气质量的系统，网络覆盖范围广、组网灵活、运营成本低。通过对接收的数据的分析及时发布天气信息，为城市规划提供依据。参考文献：1 Zhong ZiguofHu Aiqun, Wang Dan. Phasical - Layer de-sign of wireless sensor ne

17、twork node J . Journal ofSoutheast University (English Edition )，2006 22 ( 1 ) : 21-25.2马潮.高档8位单片机Atmegal28原理与开发应用指南M.北京:北京航空航天大学出版社，2004.3 王秀梅,刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计J.国外电子元器件，2005,(3):59-62.4 汪胜辉，刘波峰.基于无线传感器网络的空气质量监测站的设计J.电子工程师，2007,33(7):12-13.5 张朝,何军红，吴旭光，等.基于GPKS和嵌人式技术的监测系统设计J.电子测量

18、技术，2007，30(8):90-93.6 L Ruiz - Garcia, P Barreiro, J I Robla. Performance ofZigBee - Based wirelss sensor nodes for real - time moni-toring of fruit Iogi8tics J. Journal of Food Engineering,2008,(87):405 - 415.目前,该产品已经被广泛运用到电力、石化、冶金等行业中，并且运行良好,可以充分地满足用户的需要，得到了用户的高度评价和认可。 5771001803090012095 5790368228596330825771001803090012386 5761373997357606965771001803090013594 5780775799025155125771001803090012387 577164982601818051577100