基于无线传感器网络的大气环境监测系统

1、基于无线传感器网络的大气环境监测系统基于无线传感器网络的大气环境监测系统引言环境监测是为保护环境和保障人群安康，运用化学、生物学、物理学和公共卫生学等方法连续或连续地测定环境中污染物的浓度，观察、分析其变化和对环境影响的过程1。随着社会进步与经济快速开展，环境保护问题越来越受到人们的关注。世界各国都致力于控制和减少环境污染，研究环境可持续开展的绿色方案，我国也提出了开展低碳经济的战略目的，并对环境自动监控提出了更高的要求。大气环境监测系统所获得的环境数据应可以准确、及时、全面地反映特定区域环境的质量现状及其变化趋势，要求覆盖面广，监测点布设灵敏，从而为环境管理、污染源控制和环境规划等提供科学根

2、据。基于无线传感器网络的大气环境监测系统可以实现特定区域环境信息的实时采集、无线传输和集中处理，是实现大气环境网络化监测的一种先进解决方案。1系统总体方案基于无线传感器网络的大气环境监测网络构造如图1所示。嵌入式网关和假设干传感器网络节点组成星形拓扑构造的无线传感器网络。由随机部署在感兴趣区域内的传感器网络节点实时采集大气环境信息和气象参数，经过预处理之后，以ZigBee无线通信方式发送到嵌入式网关；嵌入式网关也具有环境数据采集才能，还配置了LD触摸屏人机界面，其主要功能是将各监测点的环境数据汇总之后，通过Internet传送给大气环境监测中心P，即实现无线传感器网络的Internet接入。环

3、境监测中心对特定区域的大量环境数据和气象参数进展检查分析之后，存储到Aess数据库中，以便统计处理和数据查询。2环境监测变量及传感器大气环境质量监测airqualitynitring是指对一个地区大气中的主要污染物进展布点观测，并由此评价大气环境质量的过程2。国务院环境保护指导小组发布的?环境空气质量标准?规定了环境空气质量功能区划分本文由论文联盟.Ll.搜集整理、标准分级、污染物工程、取值时间及浓度限值。选择?环境空气质量标准?中规定的二氧化硫S2、二氧化氮N2、一氧化碳、臭氧3等可用传感器测量的几种大气污染物作为系统监测对象。由于大气污染与气象条件亲密相关，因此在大气污染监测中应包括风向、

4、风速、温度、相对湿度、气压等气象参数的测定3。此外，2是反映碳排放的重要指标，所以将其列为监测工程之一，故基于无线传感器网络的大气环境监测系统的监测变量共有10种。遵循低本钱、高可靠性、适当精度、使用方便等原那么，为大气环境监测系统配置了以下8种传感器模块：1S2传感器：选择模拟输出型二氧化硫传感器模块S-DX，它采用双光束非分光红外线NDIR检测技术，具有抗其它气体干扰、稳定性好、自带温度补偿等特点，输出符合dbus协议的模拟信号420A，经过信号变送器产生05VD的模拟信号。2N2传感器：选用深圳市富安达智能科技研发的N2/S-500-S传感器量程：0500pp，分辨率：0.5pp，工作温

5、度范围：-20-45，工作湿度范围：15-90%，无需偏执电压，具有良好的重复再现性和长期稳定性，经信号放大电路及信号变送器输出05VD的模拟信号。3传感器：选用英国Alphasense公司的一氧化碳传感器-BF量程：0-1000pp，分辨率：0.5pp，工作温度：-3050，工作湿度：1590%RH，经信号放大及变送后产生05VD模拟信号。43传感器：选用Q131臭氧气体检测模块工作电压：5VD，它具有模拟量输出及TTL电平输出的双路信号输出，TTL低电平输出有效，可直接与单片机I/口相连。5风速风向传感器：配置的288865包括了风速传感器和风向传感器。风速传感器量程：040/s，精度：0

6、.3/s可以产生TTL电平频率信号，风向传感器量程：0360，精度：0.1%在精细导电塑料电位器的活动端产生变化的电阻信号输出，可经过变换电路产生05VD模拟输出信号。6温湿度传感器：选用含有校准数字信号输出的数字温湿度传感器SHT11温度量程：-40123.8，湿度量程：0100%RH，温度测量精度：0.3，湿度测量精度：1.8%，它采用准II方式传输数据。7气压传感器：选择德国BSH气压传感器系列的BP085量程：3001100bar，精度：0.03bar，工作温度范围：-4085，用8-Pin陶瓷无引线芯片承载L超薄封装，可以通过II总线直接与各种微处理器相连。82传感器：选择采用固体电

7、解质电池原理的G811型2气体传感器。该传感器受温湿度变化的影响较小，具有良好的稳定性、再现性，经信号放大及调理后产生05VD的模拟输出信号。3大气环境监测网络设计3.1传感器网络节点设计传感器网络节点是一个由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元4个功能模块组成的微型嵌入式系统4，其硬件组成如图2所示。它的控制才能、数据存储才能、分析计算才能和通信才能相对嵌入式网关较弱。传感单元分为模拟和数据两部分，S2传感器S-DX、N2传感器N2/S-500-S、传感器-BF、2传感器G811和风向传感器288865/DIR的输出信号经过放大和调理之后，输出05V模拟信号，可接入U的AD通道；3传感

8、器Q131、风速传感器288865/SPEED输出TTL电平脉冲信号，可接入U的计数通道。温湿度传感器SHT11采用准II方式向U发送数据，DATA和SK信号可直接与U的I/引脚连接；气压传感器BP085使用标准II总线向U发送数据。处理单元主要协调、控制整个传感器节点的操作，存储和处理采集数据，并与其它节点合作完成被指派的感知、监测任务，是传感器网络节点的核心，从节约本钱、进步可靠性等方面考虑，选用ATega16单片机。无线收发单元将传感器网络节点接入传感器网络，采用TI公司的系统芯片S2530F256，运行ZigBee2022/PR协议，通过USART与U传输数据，满足以Zigbee为根底

9、的2.4GHz的IS频段应用。电源单元那么为传感器节点提供维持正常运行所必须的能量。3.2嵌入式网关设计嵌入式网关以AR微处理器为核心，包括传感单元、根本外围电路、存储单元、ZigBee通信、Internet通信和触屏显示6部分，其硬件组成如图3所示。选择SaSung公司的基于AR920T架构的16/32位RIS处理器S32440A作为控制核心，协调其它所有工作单元有序运行，实现大气环境信息和气象参数的数据采集、数据预处理、数据存储、数据转发等全部功能。嵌入式网关的传感单元组成及功能与传感器节点的传感单元一样。根本外围电路包括电源电路、时钟电路和复位电路，为S32440A正常运行以及嵌入式网关

10、中所有外围电路正常工作提供根本保障。存储单元扩展了SDRA和FLASH两种存储器，分别为程序代码和各种数据提供存储空间。ZigBee通信模块负责与SN内的各传感器节点通信，搜集监测区域的环境信息。触屏显示单元采用Tpply3.5寸LD模块，移植了Qt界面，便于用户在现场进展传感器网络运行参数配置，查询任意时刻采集的环境数据等。Internet通信模块将汇总的环境数据传输至监测中心，并与ZigBee模块结合实现ZigBee和TP/IP两种网络协议的转换。4大气环境监测系统软件4.1传感器网络节点软件传感器网络节点实行被动式数据采集行为，即仅当接收到嵌入式网关下发的数据采集命令时才执行采集数据的任

11、务，其它时间那么进入休眠形式以降低电能消耗。传感器节点应用软件的设计过程相对简单，其程序流程如图4所示。上电复位后首先初始化硬件，向嵌入式网关报告自己的ID信息，参加SN之后就进入空闲形式。在此形式下，PU停顿运行，而SPI、USART、AD、定时器/计数器、看门狗和中断系统继续工作。诸如定时器溢出与USART传输完成等内外部中断都可以唤醒U5。因此，当接收到嵌入式网关的数据采集命令后，USART接收中断会将U唤醒，即刻采集大气污染物数据，再通过ZigBee通信模块将其传输至嵌入式网关。4.2嵌入式网关软件基于S32440A微处理运行Linux操作系统的嵌入式系统，其软件部分包括启动引导程序、

12、操作系统内核、根文件系统、设备驱动程序和应用程序，前3部分是系统运行的根底部分，目前已有相对较为成熟的版本出现，只需要针对详细硬件平台进展修改、裁减即可完成移植工作，不必重新开发。4.2.1驱动程序驱动程序是应用程序和实际设备之间的一个软件层6。分为字符设备驱动程序、块设备驱动程序和网络驱动程序。大气环境监测系统中的传感器都是简单的硬件设备，因此，全部被抽象为字符设备。字符设备驱动程序完成的主要工作是初始化硬件设备、添加和删除设备构造体，申请和释放设备号以及填充file_peratins构造体。file_peratins构造体用来建立设备编号与驱动程序操作的连接，实现该构造体中的read、ri

13、te、itl等函数是驱动程序设计的主题工作。传感器设备驱动程序所实现的只是最重要的设备方法，比方SHT11和2的file_peratins构造被初始化为如下形式：4.2.2应用程序嵌入式网关应用程序主要包括两个线程和一个中断效劳程序，其执行流程如图5所示。上电后，首先进入ain函数主线程初始化并设置系统参数，调用signal函数设置SIGALR信号的信号处理程序用以完成嵌入式网关与监测中心的TP/IP通信任务，然后设置定时器，再调用pthread_reate函数创立Data_lletin线程负责数据采集任务，之后运行基于事件驱动的Qt程序，在这段代码中将程序控制权交给用户，用户通过操作界面可以设置嵌入式网关系统参数或查看实时采集的环境数据。4.3大气环境监测中心软件使用Aess2022创立大气环境信息数据库，利用visual+提供的ADAtiveXDatabjet访问数据库，实现环境数据分析处理、越限报警和数据显示查询等功能。当键入主键值ID时，程序访问aess数据库进展查询，并显示出该ID对应的各字段数据值；还可以时间