基于无线传感器的大气颗粒监测系统应用

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基于无线传感器的大气颗粒监测系统应用
◎吴鹏
摘要：大气中的粉尘、固体颗粒物不利于人体健康，传统的空气质量监测系统采用固定监测方法，人工干预成分较大，不利于保证大气质量监测的准确性。

为此，要引入先进的Zigbee 无线传感器网络技术，通过无线网络技术实施大气质量远程监测，实时在线了解各地大气颗粒物等环境参数变化状况，并进行异常状态的实时响应、分析处理，提高大气质量监测的准确性、智能化。

关键词：无线传感器；大气颗粒；监测系统
随着环境监测要求的不断提高，传统的空气质量监测系统日益暴露出滞后性，原有的监测方法是通过设置固定点的监测方式，依赖于主观经验和手动监测仪器进行环境数据的采集和分析，不适于大范围的长期监测。

为此要设计和应用一种基于Zigbee 无线传感器的大气颗粒监测系统，实现对大气环境的在线实时、自动化监测。

一、无线传感器网络技术概述
无线传感器网络主要是通过无线网络进行传感器终端数据的传输，其核心要素为传感器、感知目标对象、监测用户，有若干个数据采集、存储、传输的传感器节点，能够在没有人工干预的状况下自主组网，采集和感知外界相关参数，进行数据计算、分析、存储和传输，体现出较强的动态性和智能化特点。

主流短距离无线通讯技术主要包括有：（1）Zigbee 技术。

这是一种新兴的短距离通讯技术，内含五层结构，即：物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层和应用层。

（2）Wi-Fi。

Wi-Fi 信号发射带宽较宽，射频信号强，传输速度快，开放性环境中的传输距离可达300m。

（3）蓝牙技术。

这是一种专门的短距离无线通讯技术，工作频段为2.4GHz，传输速度最高可达3Mbps。

（4）红外技术。

这是一种视距传输，仅限于两点间的数据通讯，且通讯节点之间不能有障碍物阻隔。

二、基于无线传感器的大气颗粒监测系统设计与应用分析
（1）系统整体设计。

基于Zigbee 无线传感器的大气颗粒监测系统采用星形网络拓扑结构，包括终端传感器节点、中心节点基站、PC 机监控中心，其中：传感器节点主要有环境数据信息采集模块、无线通讯模块和节点电源模块，采集大气中的颗粒数、大气温度、大气湿度等信息，将其打包发送至中心节点。

基站中心节点内含无线通讯模块和USB 转虚拟串口转接板，将采集数据传输至PC 机监控中心。

PC 机监控中心主要对网络区域环境的大气状况进行监测。

（2）无线传感网络节点模块化设计。

无线传感网络节点要支持Zigbee 协议栈，能够长时间处于工作状态，并保证数据采集模块和无线通讯模块的物理分离，支持后续数据采集模块的扩展变换，如下图1
所示：
图1 无线传感节点模块图
①大气粉尘颗粒传感器模块。

该模块主要采集大气粉尘颗粒、大气温度、大气湿度等参数，可以利用光学原理测量悬浮于空气中的颗粒杂质粒子，进行大气粉尘颗粒的精准监测和分析。

②大气温湿度传感器模块。

选取SHT1x 温湿度传感器进行环境大气温湿度的监测，通过对环境的侦测感知获悉大气的温度和相对湿度，体现出能耗低、响应速度快、信号干扰小的特点。

③微处理器单元模块。

选取AVR 系列8位微处理器——Atmega1281，以此作为传感器节点的控制中心模块，控制传感器节点射频通讯频芯片和处理器的通信，外部数据采集模块采集的数据传送给微处理器进行处理，Atmega1281处理器通过控制其串口与PC 电脑相连，并通过终端节点发送指令，完成对各个终端节点的管理。

④无线射频单元模块。

选取AT86RF230芯片，工作频率为2.4GHZ，内置有天线、去耦电容、RF 元件等，输出功率为-17dBm~3dBm，在进行射频芯片AT86RF230的外围电路设计中，以外接晶振搭配负载电容和芯片内部时钟作为时钟源，并尽量避免选用寄生电容，以达到较好的参考频率精度。

并要保证晶振的布线走线尽量短，使之与数字I/O 信号相分离。

另外，还要充分考虑匹配阻抗情况。

⑤电源管理单元模块。

通常采用电池或电平作为电源，考虑到锂电池应用广泛、更换方便、安全程度高，因而可以选取锂电池进行供电，尽量延长传感器节点的无间断工作时间，减少各节点的总体能耗。

同时，选用DC/DC PWA2405和PWB2405芯片，通过控制可控开关的高速开启闭合的方式，进行能量存储和释放，实现电压的高速转换，体现出电能转换效率高、输入端电压范围宽的特点，然而其转换负载响应较低。

（3）网络中心节点设计。

网络中心节点是Zigbee 网络系统的核心组件，内置组件包括有RF 射频模块、微处理器模块、供电单元、通讯协议转换单元，主要用于协调网络建立过程中的基本参数设定，并对后期网络运行信息进行管理和维护。

在网络中心节点组网过程中，采用一个网络标识ID 和适宜的通信信道，组建网络并接受新节点的加入请求，更新邻居关系表，并发送组网响应，最终完成网络中心节点的组网。

三、小结
综上所述，可以采用模块化设计方法进行大气颗粒监测系统的设计和应用，采用星形网络拓扑结构进行无线传感各节点和功能模块的设计，实时高速地采集大气环境中的参数，并进行无线传输、存储和分析。

后续还要进一步扩展网络，优化网络设计，不断优化系统的可靠性，并扩展系统的功能应用，不能局限于大气颗粒数和温湿度的数据采集，还要能够基于采集数据进行大气环境污染预警分析，并据此制定大气环境污染响应策略。

（作者单位：江苏华睿巨辉环境检测有限公司）
作者简介：吴鹏（1991-），男，本科，助理工程师，研究方向为环境监测与咨询。

参考文献
[1]李鹏,张瑞霞,王赛超.基于物联网技术的大气环境监测系统研究[J].信息通信,2013(08):59-60.
[2]邹宇,聂明新,王承.基于无线传感网络的多点温度测控系统研究[J].
制造业自动化,2011,33(13):58-61.。