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基于无线传感器控制网络的空气环境监测系统设计与实现 　　摘要：针对空气环境监测系统中污染数据采集节点灵活性和可扩展性差的缺点，给出了一种含有感知层、网络层、应用层的基于无线传感器控制网络的空气环境监测系统体系结构，分别设计了ZigBee数据采集终端节点、GPRSZigBee网关和基于B/S模式的智能监测软件，实现了ZigBee技术、3G通信技术及Web技术的可靠融合，从而达到对空气环境数据的实时有效监测。 　　关键词：无线传感器；网络监控；空气环境监测 　　DOIDOI：10.11907/rjdk.161904 　　中图分类号：TP319 　　文献标识码：A文章编号2016）010006103 　　0引言 　　近几年，我国以可吸入颗粒物（PM10）、细颗粒物（PM2.5）为特征污染物的区域性空气污染事件频发，空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”，受到社会的高度关注。空气环境监测是空气环境治理和保护的前提，只有对空气环境状况有了全面、正确、具体的了解，才能实施有效、及时的防治措施。《大气污染防治行动计划》[13]明确指出，要“提高环境监测能力，建设城市站、区域站统一布局的国家空气质量监测网络，加强监测数据质量管理，客观反映空气质量状况”。 　　本文综合运用多种物联网信息感知手段，结合近距离的ZigBee无线传感网络及远距离的GPRS、3G等远程无线数据传输手段及Web编程技术，实时采集空气污染物参数，通过上位机监控软件实时发布采集的数据，为计算空气质量指数AQI与预警污染事件提供基础数据，组建完整的空气环境监测体系。 　　1系统体系结构设计 　　整个系统主要包括ZigBee数据采集终端节点、GPRSZigBee网关和基于B/S模式的智能监测软件3个部分，其体系结构如图1所示。 　　（1）ZigBee数据采集终端节点。主要实现采集空气污染数据（如：PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2等）并上传，供高端分析处理；接收并执行高端发送的不同方式的控制命令；通过ZigBee协议组成网络并根据不断变化的网络现状进行动态拓扑，对同一网段内命令进行存储转发，维持整个网络的有效通信。 　　（2）GPRSZigBee网关。发送命令到ZigBee数据采集终端节点或接收ZigBee数据采集终端节点上传的数据；以GPRS方式与高端通信，接收高端发送的命令并将命令下传给ZigBee数据采集终端节点，定时发送心跳包维持通信链路，将ZigBee数据采集终端节点状态信息反馈到高端。 　　（3）基于B/S模式的智能监测软件。包括远程更新管理软件和通信软件两个部分。远程更新管理软件以大型商用数据库SQL Server2008为基础，采用B/S模式，提供ZigBee数据采集终端节点测控、状态显示、污染预警、数据统计、报表生成等功能；通信软件使用多线程的异步Socket机制，实现通信的高稳定性与高可靠性。 　　2系统实现 　　2.1ZigBee数据采集终端节点实现 　　ZigBee数据采集终端节点硬件结构如图2所示，实现ZigBee数据采集终端节点远程更新的底层软件设计。 　　ZigBee数据采集终端节点选择飞思卡尔的32位ARM+RF一体化低功耗芯片KW01作为主控MCU，满足ZigBee网络低功耗、近距离、双向传输特点；参考环保部门制定的空气质量检测标准，选择相应的数字式传感器对空气环境中PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2、温湿度、风速风向数据进行检测。 　　在ZigBee数据采集终端节点硬件设计上，为实现节点的灵活性和可扩展性，采用分层结构将其分为通信模块和扩展板两个部分。通信模块包括无线功放模块以及接口设计。扩展板主要为测试和方便使用通信模块而设计，包括RS232、指示灯、BDM接口、USBRS232转换、AD接口等。 　　在ZigBee数据采集终端节点设计远程更新软件，首先解析KW01的机器码文件、链接文件和存储空间，设计无线通信和相关模块的驱动程序；设计适合于节点远程更新的RUPNP网络协议，使更新网络和实际网络分离，更具有通用性；为避免重定位问题，通过修改链接文件将监控程序的存储空间和用户程序空间分离；设计超时机制，有效解决节点异常复位后进入监控程序空等的数据帧问题。 　　2.2GPRSZigBee网关实现 　　GPRSZigBee网关是应用层服务器和该段传感网络中ZigBee数据采集终端节点的联系纽带，包括主控模块和Link（链接）节点两部分，结构如图3所示。 　　GPRSZigBee网关通过GPRS移动通信模块和应用层服务器进行双向通信。从应用层服务器接收数据，进行解析、处理、封包等操作。将需要发送到传感网络中的数据通过Link节点发送给ZigBee数据采集终端节