用GPRS技術傳送霧霾檢測數據的研究

陸昕宇+李天予+江柯+許書綿+沈萬里+沈行良

摘 要： 大氣污染導致的霧霾，已經深度影響到了民眾的生活，大氣治理問題已經受到各方的高度重視。溯本逐源，從源頭控制污染物的排放，加上末端的綜合治理，才是大氣污染防治的治本之策。大氣霧霾監測系統利用霧霾檢測器和GPRS模塊數據傳送，將所在地霧霾情況實時監測傳輸給手機APP終端，手機接收之后將數據整合顯示給使用者，達到霧霾監測和提前應對惡劣天氣的作用。

關鍵詞： STM32微型處理器； GPRS； 霧霾檢測

中圖分類號：TP242

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）02-0125-03

Abstract：Haze caused by air pollution has deeply impact on people's life， so great attention has been paid to atmospheric governance issues by the parties. Chasing back to the source， from the source controlling pollutant emissions， and at the end integrating the comprehensive treatment are the fundamental strategy for prevention and control of atmospheric pollution. In the big aerosol haze monitoring system， use fog detector and GPRS module to realize data transmission，real-time monitor haze situation of specified zone and transmit to mobile phone APP terminal， after receiving， display the results to the user for data integration， further achieve the fog monitoring and deal with bad weather ahead of time.

Keywords：STM32；GPRS； haze monitoring

0 引 言

由于霧霾天氣的時有發生，將直接影響到社會生產與生活，致使空氣質量日益成為吸引人們矚目的熱點與焦點。霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標的籠統表述，大氣中細顆粒物濃度的升高將直接導致霧中有毒有害物質的大幅增加以及灰霾天氣發生頻率的連鎖遞增態勢。而經研究可知，應對霧霾污染、改善空氣質量的首要任務即是檢測和控制大氣細顆粒物。顆粒對人的身體健康具有明顯負面效應，因此人們越發留意霧霾指數，就像關注天氣預報一樣，人們需要實時的檢測來判斷今日是否應采取“防護措施”，政府也需要依據霧霾指數來對城市大型工業進行整治，意在提速發展的同時也能著力保護人類自身賴以生存的環境。本次研究即以STM32、GPRS為基礎，霧霾檢測器為輔，設計實現了低功耗、實時性強和使用方便的檢測系統。

1 總體設計方案

激光霧霾檢測技術以其獨特的優勢，在本領域得到廣泛普及應用，數據采集系統的電路也已日趨成熟，在一定程度上已經可以替代濾膜稱重法、β射線法和震蕩天平法、以及衛星遙感監測，大幅降低成本。特別地，RS-232接口能方便地讀取數據。

PIC單片機連接霧霾傳感器、LCD、GPRS模塊，單片機先讀取霧霾傳感器的霧霾數據值，對收到的數據指定展開截取、運算、格式轉換，用GPRS網絡發送數據交由服務器加工處理，改進組網的靈活性，擴大了檢測范圍，提高采樣密度，通過增加檢測點，可以對整個區域霧霾狀況做到全面的掌控了解。

裝置設計時就考慮到大范圍的監測系統，分布點多，密度高，而要橫跨一個幅員寬廣的區域，就會帶來通信成本的大幅增加。為了降低成本，研究中采用GPRS的方式來無線傳送數據，能簡捷便利地接入通信網絡，數據傳輸速度快，實時性強。作為數據采集點，每個檢測點如果采集得越多，霧霾分布狀況就會得到遍及全局的統計展示；接收數據實時性強，能夠掌握霧霾發展的動向，便于及時探查霧霾的變化趨勢，為發布霧霾數據預報提供基礎重要依據。除此之外，還可以具體研發一個APP程序，充分利用手機實時接收霧霾的數據，便于支持實現工作和生活的安排，高效、快速地推進霧霾預防工作和各類應對措施的有利推廣展開。系統設計原理如圖1所示。

單片機PIC18F4520是整個系統控制的核心。利用攀藤科技PMS5003霧霾傳感器遵循激光散射原理，精確測量PM2.5濃度，并且低功耗、低成本。由霧霾傳感器檢測到的數據通過USART串口1傳輸給單片機進行數據處理，這時數據會在系統版顯示器上控制得到輸出。單片機把霧霾傳感器接收到的數據在經歷了處理和格式轉化進程后，結果數據即通過串口2傳輸給GPRS模塊，此時GPRS模塊會通過無線電波將數據傳輸給電腦服務器，GPRS的數據傳送需要蜂窩網絡，中國在低空領域蜂窩網絡實現了基本覆蓋，因此可以正常連接到GPRS網絡。

服務器接收到數據將原始十六進制數據轉化成十進制，即預定提供霧霾數據發布讓使用者得知當日霧霾指數，并顯示所在地各安置點霧霾區域的濃度指數繪圖；處理霧霾數據并將數據拓展，傳遞更多有用的信息；在霧霾數據偏高的區域尋找污染源，同時提醒有關部門需于適當時即轉入治理整治。

2 研究系統關鍵架構分析

2.1 PIC18F4520單片機

單片機選用MICROCHIP公司出品PIC18F4520，CMOS 8位PIC系列單片機，芯片集成有A/D、內部EEPROM儲存器、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、I2C和SPI接口、CAN接口、異步串行通訊（USART）接口、FLASH程序儲存器等。配有較豐富的硬件資源和接口，方便地擴展外設，根據要求分別連接LCD、按鈕霧霾傳感器和GPRS模塊等組成小型檢測系統，精簡指令易于整定編程。

2.2 傳感器模塊

關于霧霾傳感器的設置，研究中經過反復比對，最終選取PMS5003作為監測霧霾數據的傳感器。PMS5003是一款以經濟型為亮點特色的霧霾傳感器，通過激光散射到空氣來測定空氣中懸浮顆粒物，折算到顆粒物質量濃度。RS-232通訊接口輸出檢測到的霧霾數據，通過接口能方便地與計算機和單片機建立通訊。本傳感器可嵌入各種與空氣中懸浮顆粒物濃度相關的儀器儀表或環境改善設備，為其提供及時準確的濃度數據。該模塊應用原理的功能實現則如圖2所示。

2.3 GPRS模塊

GPRS技術的特點是數據傳輸速度快，數據傳送過程安全可靠，時間響應性能良好，能實時地傳輸霧霾檢測的數據。對于大區域、大范圍、點分散的數據傳送，難以聯成數據傳輸網絡，采用GPRS技術是一種理想通訊方法，認證后將全程連線工作，按流量計費，而霧霾數據的字節量少，間斷式發送，這樣就大大降低運行成本。GPRS把各個分散的數據傳送到一點上，用一套終端設備就能收集所有的數據，降低了設備和人力成本，方便維護。

選用SIM900A模塊來設計定義GPRS功能，可有效保障霧霾傳感器采集的數據成功獲得遠距離傳輸，SIM900A是一款緊湊型、高可靠性的GPRS無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，而且協同配置了功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求。這也正符合了本文設計的價格低廉但小巧實用的特性要求。在此，進一步給出GPRS SIM900的原理結構解析即如圖3所示。

3 GPRS與霧霾數據的分析

用GPRS通訊方式傳送霧霾數據，跨越了地域范圍，顯著優勢特點即是擴大了檢測區間，大幅增加檢測密度，可以對全國的霧霾狀況格局給出細致梳理與完整展現，便于研究霧霾的形成、運動方向、污染范圍、發展趨勢，并為其提供有效的數據支持。通過GPRS獲得的數據具有強大的實時性，而且從時間段和區域范圍方面可獲得充足數據量，不需要自行組建傳輸網絡，大幅降低成本。通過GPRS通訊，把大量數據傳送到服務器上保存，使全國范圍的霧霾數據匯總集結在一起，把歷史的數據規范統一并整合在服務器上，形成大數據，為后期處理建立了良好信息基礎，進而用來參與構成霧霾監測分析系統。可以看出，應用GPRS技術來傳送霧霾檢測數據，把采集數據指定存儲作為大數據，以此為共享支撐數據源來設計研發空氣污染物擴散模型，同時又融入人工智能、專家系統來升級探討霧霾狀況，對分析霧霾的形成、變化趨勢、預報、治理等發揮著切實重要的關鍵作用。主要功能內容可闡釋如下：

1）采集全國各地或區域的AQI數據，通過GPRS傳送至一調控服務器，為霧霾分布狀況配置基礎必要數據，以此來分析霧霾的發展趨勢、變化軌跡和影響程度，為預報和決策提供依據。

2）經過一段時間的存儲記錄，形成了檢測大數據，能對全國、某城市和區域分別以時間、地區為橫軸將霧霾數據變化展開對比研究，用以顯示剖析治理前后的變化效果如何，進而探尋發現產生原因。

3）關于采集的大量數據，可以靈活選擇諸如多個區域的霧霾數據列表、霧霾濃度柱狀圖、趨勢曲線等各種定制方式進行效果需求偏好展現。

3 結束語

近年來，空氣霧霾現象的出現使得環境治理日益成為社會焦點話題。環境問題成為人類健康的困擾性威脅，在一定程度上影響了人們的日常出行和生產生活。國家也積極采取措施，管控霧霾的發展，首要課題即需解決對霧霾的實效檢測，小范圍霧霾檢測顯然并非良策，必須要在全國范圍來實時檢測霧霾數據，才能優化治理和預報霧霾。本研究即應用GPRS通訊技術，設計提出全國范圍實時霧霾數據的采集系統，通過數據連貫性的可行性操作分析，對霧霾的遷移規律掌控、準確預報、治理和建立大型霧霾數據庫提供必要實施條件。并且，隨著霧霾大數據庫分析水平的不斷改進、數據的精確采集，空氣質量的綜合治理方案必將日趨科學、完備。

參考文獻：

[1]路士兵. 基于單片機的空氣霧霾監測系統設計[J]. 自動化與儀器儀表，2016（6）：254-255.

[2] 程明月. 基于無線傳感器網絡的空氣質量監測系統的研究與設計[D]. 武漢：武漢科技大學，2015.

[3]何佳晶，周暉，劉婷婷，等. 一種考慮濕度修正的霧霾檢測系統[J]. 電子測量技術，2015，38（10）：96-100.

[4] 張珣，張鈺. PIC18系列單片機原理及C語言開發[M]. 北京：清華大學出版社，2012.

[5] 郭少艾，阮慧，房思超，等. 用于激光霧霾檢測的光電環數據采集系統電路研制[J]. 激光雜志，2015，36（7）：19-22.

[6] 陳育斌. PIC18F452單片機原理及編程實踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2016.

[7] 傅中君. 嵌入式GPRS無線通信模塊的設計與實現[J]. 計算機工程與應用，2004（14）：162-165.

[8] 路朋，謝麗蓉，毛增闖，等. 基于GPS和GPRS數據傳輸系統研究與設計[J]. 實驗室研究與探索，2016，35（4）：111-113，134.

[9] LAM K Y. Channel de-allocation schemes for GSM/GPRS networks[J]. Journal of Electronics （China），2005，22（6）：581-585.

[10]SHAMSELDIN A K M. Proposal of adapting the assessment weights of GPRS for different gated communities positions[EB/OL]. [2016-05-20]. http：//dx.doi.org/10.1016/j.hbrcj.2016.02.001.