基于WiFi的空气质量实时监测系统设计

张高敏 王飞飞 周志青

摘 要： 合理规划城镇道路，减少汽车尾气污染成为城市规划建设的重要环节。为了定量统计汽车尾气对城市空气污染程度，实时监测城市道路周边空气质量变化情况，提出一种基于WiFi城市道路空气质量实时监测系统。通过在道路沿线设置多个无线监测节点采集空气污染物数据，经无线网络传输至中心服务器，为城镇道路规划决策的合理性提供理论依据。实验结果表明，空气污染物监测结果稳定可靠，可较好地应用于城市道路空气污染物的检测。

关键词： 定量统计； 空气质量； 道路规划； 数据采集

中图分类号： TN926?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 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

随着城镇化改造规模的加大，城镇市区机动车保有量持续上涨，不可避免地造成交通排放废气量的增加，连同生活和工业污染，使环境空气质量不断下降[1]。这些问题如果不能引起足够重视，就可能导致空气质量的进一步恶化，直接影响我国经济的可持续发展[2]，2015年1月1日实施的新《环境保护法》也明确要求国家建立、健全环境监测制度。

机动车尾气排放对城市空气质量的影响逐渐引起决策者的重视。根据经济可持续发展的要求，他们在强化城市环境管理、科学制定环保法规和城市整体规划，提高政府对大气污染事故的应急处理能力等方面都制定了相应法规。从加强公众监督，提高环保意识，推动环保科研等方面的考虑，还需要环保监测部门提供大量准确可靠和连续及时的环境监测依据。目前，各个大中城市都按照国家要求在市区内多个区域建立空气监测站，但受限于地方经济发展，监测站点资金投入，城市空气环境监测整体布局还存在众多不足之处[3]。许多城市在环境空气质量必测项目的监测上，还存在人工采样、送样、实验室分析的监测方法[4]，不仅费工、费时，且样品捕获率低、分析时间长、数据上报慢和信息量少，其监测结果不能很好地反映出城市环境空气污染在空间和时间上的变化现状和规律，对城市环境空气中主要污染物的扩散趋势及影响不能做出连续的判断，从而影响了城市环境管理水平的提高。特别是随着各种环境污染源的不断增加和污染事故的不断发生，有些城市环境空气污染在某些方面恶化趋势已初露端倪。

1 监测系统工作原理

为了降低系统成本，提高其通用性和扩展性，城市道路空气质量实时监测系统采用树形无线组网结构组成一个无线传感网。树的每一个叶子节点连接一个数据采集终端，通过无线网络逐级汇聚到汇聚路由节点，最后把汇聚节点数据传输到服务器分析存储[5]。监测的空气质量参数主要有温湿度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等，通过抽气风机与对应监测的传感器、排气口等组成采样系统，使终端节点具有数据采集和无线传输功能，具体结构如图1所示。

（1） 传感采集节点包含多个空气质量污染物定量检测传感器，对其覆盖区域内的检测数据进行实时采集，并把这些数据通过I/O口发送到单片机，单片机经过编码协议后通过串口转WiFi无线通信模块把数据发送到中继节点。

（2） 中继节点作为数据中转设备，把其配置为STA+AP模式，把接收到下级串口转WiFi无线通信模块的数据转发到汇聚节点，汇聚节点同样配置为STA+AP模式。

（3） 汇聚节点之后接路由器，使数据处理服务器能够通过TCP/IP协议解析出传感采集节点的数据，对这些数据按协议解码，得到实时定量的空气污染物指数并存储到数据库中，实时分析、报告预警和远程控制，供显示终端实时查看当前数据或以往数据。

（4） 控制中心可以通过设置数据处理服务器与Internet网络，使外部网络也能够访问到监测数据。

2 监测系统整体设计

2.1 硬件系统设计

2.1.1 传感器采集硬件设计

传感器采集节点是空气质量实时监测系统的核心部分，该节点使用高灵敏度电化学传感器，包含温湿度传感器，集成的CO，NO2，SO2的传感器模块，PM2.5和PM10传感器模块等。温湿度传感器采用DHT11温湿度模块，工作电压为3.3～5 V，数字量输出，可以直接连到单片机的一个I/O口上；MQ?7一氧化碳传感器模块模拟量输出0～5 V电压，浓度越高电压越高，通过A/D转换器后送给单片机；SO2传感器采用高性能的2SH12半导体传感器，该传感器广泛应用于工业中SO2气体的检测，对SO2有很好的选择性；粉尘颗粒检测选择GP2Y1010AU0F型号的传感器，2 400 b/s的波特率串口输出。组成空气质量实时监测系统的数据采集单元和数据处理发送单元的结构如图2所示。

2.1.2 单片机与WiFi通信设计

C8051F340使用Silicon Labs的专利CIP?51微控制器内核，与MCS?51TM指令集完全兼容。CIP?51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、2个具有扩展波特率配置的全双工UART、1个增强型SPI端口、多达4 352 B的内部RAM、128 B特殊功能寄存器（SFR）地址空间及多达40个I/O引脚。

数据发送采用小尺寸低功耗USR?WIFI232?T模块，支持IEEE 802.11 b/g/n无线标准，无线网络类型可配置为STA/AP/STA+AP，可以采用WEP/WPA?PSK/WPA2?PSK方式进行加密。该模块硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元以及功率放大器，提供一种将用户的物理设备连接到WiFi无线网络通信方法。帮助用户实现串口到WiFi数据报的双向透明转发，用户不必关心具体实现细节，在模块内部完成协议转换。串口一侧的数据透明传输，WiFi一侧采用TCP/IP数据包，通过简单设置即可指定工作细节。模块的网络配置可以通过模块内置网页进行，也可以通过串口使用AT指令进行，一次设置可永久保存。C8051F340和USR?WIFI232?T的硬件电路接口如图3所示。

2.1.3 中继节点和汇聚节点设计

在整个空气质量实时监测系统中，中继节点和汇聚节点起承上启下的作用。中继节点和汇聚节点可以采用工业路由器配置为STA+AP模式来收集各个采集节点的数据进行融合，最后通过TCP/IP协议进入到监控中心的服务器。在监控系统中主要采用有人的USR?WIFI232?T型的串口转WiFi模块和华为荣耀路由分别作为采集节点发送方和中继汇聚节点的转发接收方。

图3 单片机和WiFi硬件电路图

2.2 软件系统设计

2.2.1 网络通信配置

传感采集节点上电后首先进行系统初始化，把自身作为一个STA节点，搜索设定好的AP汇聚节点并接入。WiFi无线网络是本系统的核心部分，为防止网络连接出现问题，特意在传感器节点设置心跳包。一方面服务器端通过定时广播地址查询网络中的各个传感采集节点，来检测服务器控制端、汇聚节点和传感采集节点之间的双向通行状态；另一方面通过传感采集节点自身设置的定时计数器来检测自身与汇聚节点之间的网络连接情况。通过两方面考虑来保证数据无线传输的可靠性。传感采集节点的程序流程图如图4所示。

2.2.2 监控终端软件设计

监控系统软件设计主要包括网络通信和数据库存储两部分[6]，在接收WiFi网络数据的基础上实现。考虑到系统的实用性和扩展性，软件设计选用基于Socket通信协议和SQL数据库[7]。 监控管理人员通过监控终端管理软件，可以实时刷新数据，设定终端自动上传数据的频率，对空气检测指数生成日报表、月报表等，便于工作人员操作分析和管理。

软件还具有报警监控功能，可以自主对报警参数进行设置，方便用户根据实际需要灵活设定每个监控点的任何一个监控指标的报警参数。系统自动完成对监测到的各种数据的上报和自动提示功能，并将各种报警项目自动写入系统日志，在高度污染情况下界面上的报警区域由一般的绿色变为报警的红色或黄色，为之后采取相应治理措施提供依据。空气质量实时监测系统监控终端软件的设计流程图如图5所示。

3 测试结果及分析

实验测试选择平顶山市建设路和凌云路交叉口，在交叉口的四个交通信号灯灯柱上距离地面50 cm处分别设置一个传感采集节点，每一个节点都有固定的ID号来区分不同节点的数据。

将各个节点监测的温湿度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等数据通过WiFi网传入数据中心进行汇总分析并处理，处理结果如表1所示。

本次实验采用GY3000型便携式烟气分析仪作为参考值，实验数据的采集时间为16：00，受风向、风速的影响，各个监测点采集数据略有差异，但实验结果误差较小，基本符合监测要求。

4 结 语

通过大量测试工作，本文的空气质量实时监测系统具备浓度监测与报警功能，既可以用于监测空气中温湿度，CO，NO2，SO2，PM2.5和PM10等数据，还可以进一步扩展传感器类型以用于其他数据监测，具有很好的扩展性。同时，本系统具备操作简单、安装便捷、成本低廉、适应性强等特点，具有广阔的市场应用推广前景。当然系统中还存在不足之处，有待进一步完善。监测数据的准确性依赖于传感器性能，当传感器数据采集误差较大时，监测控制终端将无法正常显示，下一步将对传感器数据误报通过恒虚警算法从底层保证数据的可靠性和准确性。

参考文献

[1] 郭威彤，宋海声，杨鸿武，等.一种便携式室内空气质量快速检测仪设计[J].传感器与微系统，2015，34（4）：92?94.

[2] 龚高超，马启明，黄启俊，等.一种基于ZigBee的新型智能气象站设计[J].传感器与微系统，2014，33（10）：87?90.

[3] 彭煜.基于STM32的便携式室内空气质量检测器的研究[D].广州：暨南大学，2004.

[4] 刘少军，王瑜瑜.基于单片机控制的空气质量检测系统的设计[J].机械与电子，2015（1）：53?56.

[5] 杨柳，毛志怀，蒋志杰，等.基于无线传输的粮仓温湿度远程监测系统[J].农业工程学报，2012，28（4）：155?159.

[6] 谷春英，姚青山.基于无线传感器的水质监测系统仿真设计[J].计算机仿真，2013，30（1）：340?343.

[7] 郭艳艳，陈锋燕.基于认知无线电网络的协作中继资源分配算法[J].测试技术学报，2014，28（5）：431?436.